[译] BPF 可移植性和 CO-RE（一次编译，到处运行）【转载】

译者序

译者：赵亚楠

原文地址： http://arthurchiao.art/blog/bpf-portability-and-co-re-zh/

本文翻译自 2020 年 Facebook 的一篇博客： BPF Portability and CO-RE，作者 Andrii Nakryiko。

关于 BPF CO-RE 的目标，引用文中的一段总结就是：

作为一种简单的方式，帮助 BPF 开发者解决简单的移植性问题（例如读取结构体的字段），并且

作为一种不是最优，但可用的方式，帮助 BPF 开发者解决复杂的移植性问题（例如不兼容的数据结构改动、复杂的用户空间控制条件等）。

使开发者能遵循”一次编译、到处运行“（Compile Once – Run Everywhere）范式。

由于译者水平有限，本文不免存在遗漏或错误之处。如有疑问，请查阅原文。

以下是译文。

本文介绍 BPF 可移植性面临的问题，以及 BPF CO-RE（Compile Once – Run Everywhere）是如何解决这些问题的。

1 BPF 现状

(e)BPF 出来之后，社区一直在试图简化 BPF 程序的开发过程 —— 最好能像开发用户空间应用程序（userspace application）一样简单直接 —— 可惜这个目标从未实现。具体来说，在使用性（usability）方面确实有很大进步，但另一个重要方面却被忽略了（大部分出于技术原因）：可移植性。

那么，什么是 ”BPF 可移植性“（BPF portability）？我们定义它是 这样一种能力：编写的程序通过编译和内核校验之后，能正确地在 不同版本的内核上运行 —— 而无需针对不同内核重新编译。

本文首先介绍 BPF 可移植性面临的问题，然后介绍我们的解决方案：BPF CO-RE （Compile Once – Run Everywhere）。接下来内容如下：

首先讨论 BPF 可移植性问题本身，分析它所面临的挑战，以及为什么解决这些挑战如此重要；
然后从较高层次查看 BPF CO-RE 的各组件，以及它们是如何组织成一个完整方案解决这个问题的；
最后以一些例子（BPF 代码片段）结束本文，这些例子展示了 BPF CO-RE 中用户可见 API。

2 BPF 可移植性面临的问题

BPF 程序是由用户提供的、经过验证之后在内核上下文中执行的程序。 BPF 运行在内核内存空间（kernel memory space）执行，能访问大量的内核内部状态（internal kernel state）。这使得 BPF 程序功能极其强大，也是为什么它能成功地应用在大量不同场景的原因之一。

但另一方面，与强大能力相伴而生的是我们如今面临的可移植性问题：BPF 程序并不控制它运行时所在内核的内存布局（memory layout）。因此，BPF 程序只能运行在开发和编译这些程序时所在的内核。

另外，内核类型（kernel types）和数据结构（data structures）也在不断变化。不同的内核版本中，同一结构体的同一字段所在的位置可能会不同 —— 甚至已经移到一个新的内部结构体（inner struct）中。此外，字段还可能会被重命名、删除、改变类型，或者（根据不同内核配置）被条件编译掉。

2.1 可移植：为什么理论上可行

以上分析可知，内核版本升级时很多东西都会发生变化，而 BPF 开发者希望能够避免这些变化对 BPF 程序造成影响。这听上去似乎不可能 —— 内核环境都在不断变化，依赖内核环境执行的 BPF 程序又如何能幸免于难呢？

但实际上，这是可能的：

首先，不是所有 BPF 程序都依赖内核内部数据结构。

一个例子是 BPF 工具 opensnoop，它基于 kprobes/tracepoints 跟踪进程打开的文件，因此只要能拦截到少数几个系统调用就能工作。由于系统调用接口提供稳定的 ABI，不会随着内核版本而变，因此这样的 BPF 程序做到可移植是问题不大的。

不幸的是，这种类型的 BPF 程序很少，而且它们能做的事情通常也是非常有限的。
其次，内核 BPF 基础设施提供了一组有限的”稳定接口“（stable interfaces），内核版本升级时保证稳定，因此 BPF 程序可以依赖这组接口。

实际上，底层结构体和工作机制都可能发生变化，但这组稳定接口向用户程序屏蔽了这些变动。一个例子是网络应用中的 struct sk_buff 和 struct __sk_buff。
- struct sk_buff 是内核中的数据包表示，字段非常多，并且经常发生变化；
- struct __sk_buff 是 BPF 校验器提供的一个 sk_buff 的稳定接口，或者说一组属性集合。将用户程序与底层的 struct sk_buff 解耦开来，因此后者内存布局发生变化时，不会影响 BPF 程序。
- 所有对 struct __sk_buff 字段的访问都会被透明地转换成对 struct sk_buff 的访问。
很多 BPF 程序类型都有类似的机制，这种封装在 BPF 中称为上下文（context），触发 BPF 程序执行时，一般传递的就是这样的上下文（指针类型，例如 struct __sk_buff *ctx）。因此，如果开发 BPF 程序时使用的是这些结构体，那这样的程序大概率是可移植的。

2.2 可移植：挑战

但是，一旦需要查看原始的内核内部数据（raw internal kernel data）—— 例如常见的表示进程或线程的 struct task_struct，这个结构体中有非常详细的进程信息 —— 那你就只能靠自己了。对于 tracing、monitoring 和 profiling 应用来说这个需求非常常见，而这类 BPF 程序也是极其有用的。

内核版本不同：字段被重命名或移动位置

在这种情况下，如何保证读到的一定是我们期望读的那个字段呢 —— 例如，

原来的程序是从 struct task_struct offset 8 地址读取数据，
由于新内核加个了 16 字节新字段，那此时正确的方式应该是从 offset 24 地址读，

这还没完：如果这个字段被改名了呢？例如，thread_struct 的 fs 字段（获取 thread-local storage 用），在 4.6 到 4.7 内核升级时就被重命名为了 fsbase。

内核版本相同但配置不同：字段在编译时被移除（compile out）

另一种情况：内核版本相同，但内核编译时的配置不同，导致结构体的某些字段在编译器时被完全移除了。

具体例子：某些可选的审计字段。

小结

所有这些都意味着：依赖开发环境本地的内核头文件编译的 BPF 程序，是无法直接分发到其他机器运行 —— 然后期待它们返回正确结果的。这是由于不同版本的内核头文件所假设的内存布局是不同的。

2.3 可移植：BCC 方式

目前，人们可以用 BCC (BPF Compiler Collection) 解决这个问题，使用方式如下：

开发：将 BPF C 源码以文本字符串形式，嵌入（Python 编写的）用户空间控制应用（control application）；
部署：将控制应用以源码的形式拷贝到目标机器；
执行：在目标机器上，BCC 调用它内置的 Clang/LLVM，然后 include 本地内核头文件（需要确保本机已经安装了正确版本的 kernel-devel 包）然后现场执行编译、加载、运行。

这种方式能确保 BPF 程序期望的内存布局与目标机器内核的内存布局是完全一致的。

对于那些内核版本相关的可选字段或条件编译相关的配置代码，只需要在源代码中用 #ifdef/#else 做处理，BCC 内置的 Clang 能正确处理这些宏，最终剩下的就是与当前内核相匹配的源代码。这就是 BCC 解决内核版本差异的方式。

2.4 BCC 方式的缺点

BCC 方式可行，但存在一些很大的缺点：

Clang/LLVM 是一个庞大的库，在部署时除了要分发 BPF 程序，还必须一起分发这个大库。
Clang/LLVM 这两个庞然大物非常消耗资源，因此每次在目标机器上编译 BPF 代码，都将消耗大量系统资源。
- 尤其在线上的生产机器，现场编译可能会使机器负载瞬间飙高，导致生产问题。
- 同样，如果机器本身已经负载很高，那编译一段很小的 BPF 程序可能都要几分钟。
此外，这里有个很强的前提：内核头文件在目标机器上一定存在。在大部分情况下这都不是问题，但有时可能会带来麻烦。

这对内核开发者来说也尤其头疼，因为他们经常要编译和部署一次性的内核，用于在开发过程中验证某些问题。而机器上没有指定的、版本正确的内核头文件包，基于 BCC 的应用就无法正常工作。
这种方式会拖慢开发和迭代速度。

BPF 程序的测试和开发过程也非常繁琐，很多错误只有到了运行时（runtime）才会出现，而一旦出现就只能重启用户空间控制应用。

总体来说，虽然 bcc 是一个很伟大的工具 —— 尤其是用于快速原型、实验和开发小工具 —— 但当用于广泛部署生产 BPF 应用时，它存在非常明显的不足。

为了更彻底地解决 BPF 移植性问题，我们设计了 BPF CO-RE，并相信这是 BPF 程序的未来开发方式，尤其适用于开发复杂、真实环境中的 BPF 应用。

3 BPF CO-RE：高层机制

BPF CO-RE 将它所依赖的如下软件栈和它的数据集中到了一起，

内核
用户空间 BPF 加载器库（libbpf）
编译器（clang）

使得我们能以一种轻松的方式编写可移植 BPF 程序，在单个预编译的 BPF 程序内（pre-compiled BPF program）处理不同内核之间的差异。

BPF CO-RE 需要下列组件之间的紧密合作：

BTF 类型信息：使得我们能获取内核、BPF 程序类型及 BPF 代码的关键信息，这也是下面其他部分的基础；
编译器（clang）：给 BPF C 代码提供了表达能力和记录重定位（relocation）信息的能力；
BPF loader (libbpf)：将内核的 BTF 与 BPF 程序联系起来，将编译之后的 BPF 代码适配到目标机器的特定内核；
内核：虽然对 BPF CO-RE 完全不感知，但提供了一些 BPF 高级特性，使某些高级场景成为可能。

以上几部分相结合，提供了一种开发可移植 BPF 程序的史无前例的能力：这个开发过程不仅方便（ease），而且具备很强的适配性（adaptability）和表达能力（expressivity）。在此之前，实现同样的可移植效果只能通过 BCC 在运行时编译 BPF C 程序，而前面也分析了， BCC 开销非常高。

3.1 BTF（BPF Type Format）

BTF 是 BPF CO-RE 的核心之一，它是是一种与 DWARF 类似的调试信息，但

更通用、表达更丰富，用于描述 C 程序的所有类型信息。
更简单，空间效率更高（使用 BTF 去重算法），占用空间比 DWARF 低 100x。

如今，让 Linux 内核在运行时（runtime）一直携带 BTF 信息是可行的，只需在编译时指定 CONFIG_DEBUG_INFO_BTF=y。内核的 BTF 除了被内核自身使用，现在还用于增强 BPF 校验器自身的能力 —— 某些能力甚至超越了一年之前我们的想象力所及（例如，已经有了直接读取内核内存的能力，不再需要通过 bpf_probe_read() 间接读取了）。

更重要的是，内核已经将这个自描述的权威 BTF 信息（定义结构体的精确内存布局等信息）通过 sysfs 暴露出来，在 /sys/kernel/btf/vmlinux。下面的命令将生成一个与所有内核类型兼容的 C 头文件（通常称为 “vmlinux.h"）：

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$ bpftool btf dump file /sys/kernel/btf/vmlinux format c

这里说的 ”所有“ 真的是 ”所有“：包括那些并未通过 kernel-devel package 导出的类型！

3.2 编译器支持

为了让 BPF 加载器（例如 libbpf）将 BPF 程序适配到目标机器所运行的内核上， Clang 增加了几个新的 built-in。它们的功能是导出（emit） BTF relocations（重定位信息），后者是对 BPF 程序想读取的那些信息的高层描述。

例如，如果想访问 task_struct->pid，那 clang 将做如下记录：这是一个 位于结构体 struct task_struct 中、类型为 pid_t、名为 pid 的字段。

有了这种方式，即使目标内核的 task_struct 结构体中，pid 字段位置已经发生了变化（例如，由于这个字段前面加了新字段），甚至已经移到了某个内部嵌套的匿名结构体或 union 中（在 C 语言中这种行为是完全透明的，因此内核开发者这样做时并不会有特别的顾虑），我们仍然能通过名字和类型信息找到这个字段。这称为 field offset relocation（字段偏置重定位）。

除了字段重定位，其他一些字段相关的操作，例如判断 field existence（字段是否存在）或者 field size（字段长度）都是支持的。甚至对 bitfields（比特位字段，在 C 语言中是出了名的”难处理“的类型，C 社区一直在努力让它们变得可重定位），我们仍然能基于 BTF 信息来使它们可重定位（relocatable），并且整个过程对 BPF 开发者透明。

3.3 BPF 加载器（libbpf）

libbpf 作为一个 BPF 程序加载器（loader），处理前面介绍的内核 BTF 和 clang 重定位信息。它

读取编译之后得到的 BPF ELF 目标文件，
进行一些必要的后处理，
设置各种内核对象（bpf maps、bpf 程序等），然后
将 BPF 程序加载到内核，然后触发校验器的验证过程。

libbpf 知道如何对 BPF 程序进行裁剪，以适配到目标机器的内核上。

它会查看 BPF 程序记录的 BTF 和重定位信息，然后
拿这些信息跟当前内核提供的 BTF 信息相匹配。然后
解析和匹配所有的类型和字段，更新所有必要的 offsets 和其他可重定位数据。

最终确保 BPF 程序在这个特定的内核上是能正确工作的。

如果一切顺利，你（作为 BPF 应用开发者）将得到一个针对目标机器”定制化裁剪“的 BPF 程序，就像这个程序是专门针对这个内核编译的一样。但这种工作方式无需将 clang 与 BPF 一起打包部署，也没有在目标机器上运行时编译（runtime）的开销。

3.4 内核

内核无需太多改动就能支持 BPF CO-RE，这一点可能令很多人感到惊讶。由于设计合理，因此对于内核来说，libbpf 处理之后的 BPF 程序，与其他任何合法的 BPF 程序是一样的 —— 与在这台机器上依赖最新内核头文件编译出的 BPF 程序并无区别。这意味要 BPF CO-RE 并不依赖最新的内核功能，因此应用范围更广，适配速度更快。

某些高级场景可能会需要更新的内核，但这些场景很少。接下来介绍 BPF CO-RE 用户侧机制时会讨论到这样的场景。

4 BPF CO-RE：用户侧经验

接下来看几个真实世界中 BPF CO-RE 的典型场景，以及它是如何解决面临的一些问题的。我们将看到，

一些可移植性问题（例如，兼容 struct 内存布局差异）能够处理地非常透明和自然，
而另一些则需要通过显式处理的，具体包括，
- 通过 if/else 条件判断（而不是 BCC 中的那种条件编译 #ifdef/#else）。
- BPF CO-RE 提供的其他一些额外机制。

4.1 摆脱内核头文件依赖

内核 BTF 信息除了用来做字段重定位之外，还可以用来生成一个大的头文件（"vmlinux.h"），这个头文件中包含了所有的内部内核类型，从而避免了依赖系统层面的内核头文件。

通过 bpftool 获得 vmlinux.h：

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$ bpftool btf dump file /sys/kernel/btf/vmlinux format c > vmlinux.h

有了 vmlinux.h，就无需再像通常的 BPF 程序那样 #include <linux/sched.h>、#include <linux/fs.h> 等等头文件，现在只需要 #include "vmlinux.h"，**也不用再安装 kernel-devel **了。

vmlinux.h 包含了所有的内核类型：

作为 UAPI 的一部分暴露的 API
通过 kernel-devel 暴露的内部类型
其他一些通过任何其他方式都无法获取的内部内核类型

不幸的是，BPF（以及 DWARF）并不记录 #define 宏，因此某些常用的宏可能在 vmlinux.h 中是缺失的。但这些没有记录的宏中，最常见的一些已经在 bpf_helpers.h （libbpf 提供的内核侧”库“）提供了。

4.2 读取内核结构体字段

最常见和最典型的场景就是从某些内核结构体中读取一个字段。

4.2.1 例子：读取 `task_struct->pid` 字段

假设我们想读取 task_struct 中的 pid 字段。

方式一：BCC（可移植）

用 BCC 实现，代码很简单：

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    pid_t pid = task->pid;

BCC 有强大的代码重写（rewrite）能力，能自动将以上代码转换成一次 bpf_probe_read() 调用 （但有时重写之后的代码并不能正确，具体取决于表达式的复杂程度）。

libbpf 没有 BCC 的代码重写魔法（code-rewriting magic），但提供了几种其他方式来实现同样的目的。

方式二：`libbpf` + `BPF_PROG_TYPE_TRACING`（不可移植）

如果使用的是最近新加的 BTF_PROG_TYPE_TRACING 类型 BPF 程序，那校验器已经足够智能了，能原生地理解和记录 BTF 类型、跟踪指针，直接（安全地）读取内核内存，

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    pid_t pid = task->pid;

从而避免了调用 bpf_probe_read()，格式和语法更为自然，而且无需编译器重写（rewrite）。但此时，这段代码还不是可移植的。

方式三：`BPF_PROG_TYPE_TRACING` + CO-RE（可移植）

要将以上 BPF_PROG_TYPE_TRACING 代码其变成可移植的，只需将待访问字段 task->pid 放到编译器内置的一个名为 __builtin_preserve_access_index() 的宏中：

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    pid_t pid = __builtin_preserve_access_index(({ task->pid; }));

这就是全部工作了：这样的程序在不同内核版本之间是可移植的。

方式四：libbpf + CO-RE `bpf_core_read()`（可移植）

如果使用的内核版本还没支持 BPF_PROG_TYPE_TRACING，就必须显式地使用 bpf_probe_read() 来读取字段。

Non-CO-RE libbpf 方式：

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    pid_t pid;
    bpf_probe_read(&pid, sizeof(pid), &task->pid);

有了 CO-RE+libbpf，我们有两种方式实现这个目的。

第一种，直接将 bpf_probe_read() 替换成 bpf_core_read()：

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    pid_t pid;
    bpf_core_read(&pid, sizeof(pid), &task->pid);

bpf_core_read() 是一个很简单的宏，直接展开成以下形式：

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    bpf_probe_read(&pid, sizeof(pid), __builtin_preserve_access_index(&task->pid));

可以看到，第三个参数（&task->pid）放到了前面已经介绍过的编译器 built-int 中，这样 clang 就能记录该字段的重定位信息，实现可移植。

第二种方式是使用 BPF_CORE_READ() 宏，我们通过下面的例子来看。

4.2.2 例子：读取 `task->mm->exe_file->f_inode->i_ino` 字段

这个字段表示的是当前进程的可执行文件的 inode。来看一下访问嵌套层次如此深的结构体字段时，面临哪些问题。

方式一：BCC（可移植）

用 BCC 实现的话可能是下面这样：

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    u64 inode = task->mm->exe_file->f_inode->i_ino;

BCC 会对这个表达式进行重写（rewrite），转换成 4 次 bpf_probe_read()/bpf_core_read() 调用，并且每个中间指针都需要一个额外的临时变量来存储。

方式二：BPF CO-RE（可移植）

下面是 BPF CO-RE 的方式，仍然很简洁，但无需 BCC 的代码重写（code-rewriting magic）：

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    u64 inode = BPF_CORE_READ(task, mm, exe_file, f_inode, i_ino);

另外一个变种是：

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    u64 inode;
    BPF_CORE_READ_INTO(&inode, task, mm, exe_file, f_inode, i_ino);

4.2.3 其他与字段读取相关的 CO-RE 宏

bpf_core_read_str()：可以直接替换 Non-CO-RE 的 bpf_probe_read_str()。
BPF_CORE_READ_STR_INTO()：与 BPF_CORE_READ_INTO() 类似，但会对最后一个字段执行 bpf_probe_read_str()。

bpf_core_field_exists()：判断字段是否存在，

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    pid_t pid = bpf_core_field_exists(task->pid) ? BPF_CORE_READ(task, pid) : -1;

bpf_core_field_size()：判断字段大小，同一字段在不同版本的内核中大小可能会发生变化，
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u32 comm_sz = bpf_core_field_size(task->comm); /* will set comm_sz to 16 */
BPF_CORE_READ_BITFIELD()：通过直接内存读取（direct memory read）方式，读取比特位字段

BPF_CORE_READ_BITFIELD_PROBED()：底层会调用 bpf_probe_read()

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struct tcp_sock *s = ...;

/* with direct reads */
bool is_cwnd_limited = BPF_CORE_READ_BITFIELD(s, is_cwnd_limited);

/* with bpf_probe_read()-based reads */
u64 is_cwnd_limited;
BPF_CORE_READ_BITFIELD_PROBED(s, is_cwnd_limited, &is_cwnd_limited);

4.3 处理内核版本和配置差异

某些情况下，BPF 程序必须处理不同内核版本之间常用内核结构体的非细微差异。例如，

字段被重命名了：对依赖这个字段的调用方来说，这其实变成了一个新字段（但语义没变）。
字段名字没变，但表示的意思变了：例如，从 4.6 之后的某个内核版本开始， task_struct 的 utime 和 stime 字段，原来单位是 jiffies，现在变成了 nanoseconds，因此调用方必须自己转换单位。
需要从内核提取的某些数据是与内核配置有直接关系，某些内核在编译时并没有将相关代码编译进来。
其他一些无法用单个、通用的类型定义来适用于所有内核版本的场景。

对于这些场景，BPF CO-RE 提供了两种互补的解决方式；

libbpf 提供的 extern Kconfig 变量
struct flavors

libbpf 提供的 `externs` Kconfig 全局变量

系统中已经有一些”知名的“变量，例如 LINUX_KERNEL_VERSION，表示当前内核的版本。 BPF 程序能用 extern 关键字声明这些变量。
另外，BPF 还能用 extern 的方式声明 Kconfig 的某些 key 的名字（例如 CONFIG_HZ，表示内核的 HZ 数）。

接下来的事情交给 libbpf，它会将这些变量分别匹配到系统中相应的值（都是常量），并保证这些 extern 变量与全局变量的效果是一样的。

此外，由于这些 extern ”变量“都是常量，因此 BPF 校验器能用它们来做一些高级控制流分析和死代码消除。

下面是个例子，如何用 BPF CO-RE 来提取线程的 CPU user time：

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    extern u32 LINUX_KERNEL_VERSION __kconfig;
    extern u32 CONFIG_HZ __kconfig;
    
    u64 utime_ns;
    
    if (LINUX_KERNEL_VERSION >= KERNEL_VERSION(4, 11, 0))
        utime_ns = BPF_CORE_READ(task, utime);
    else
        /* convert jiffies to nanoseconds */
        utime_ns = BPF_CORE_READ(task, utime) * (1000000000UL / CONFIG_HZ);

struct flavors

有些场景中，不同版本的内核中有不兼容的类型，无法用单个通用结构体来为所有内核编译同一个 BPF 程序。struct flavor 在这种情况下可以派上用场。

下面是一个例子，提取 fs/fsbase（前面提到过，字段名字在内核版本升级时改了）来做一些 thread-local 的数据处理：

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/* up-to-date thread_struct definition matching newer kernels */
struct thread_struct {
    ...
    u64 fsbase;
    ...
};

/* legacy thread_struct definition for <= 4.6 kernels */
struct thread_struct___v46 {   /* ___v46 is a "flavor" part */
    ...
    u64 fs;
    ...
};

extern
int LINUX_KERNEL_VERSION __kconfig;
...

struct thread_struct *thr = ...;
u64 fsbase;
if (LINUX_KERNEL_VERSION > KERNEL_VERSION(4, 6, 0))
    fsbase = BPF_CORE_READ((struct thread_struct___v46 *)thr, fs);
else
    fsbase = BPF_CORE_READ(thr, fsbase);

在这个例子中，对于 <=4.6 的内核，我们将原来的 thread_struct 定义为了 struct thread_struct___v46。双下划线及其之后的部分，即 ___v46，称为这个 struct 的 “flavor”。

flavor 部分会被 libbpf 忽略，这意味着在目标机器上执行字段重定位时， struct thread_struct__v46 匹配的仍然是真正的 struct thread_struct。

这种方式使得我们能在单个 C 程序内，为同一个内核类型定义不同的（而且是不兼容的）类型，然后在运行时（runtime）取出最合适的一个，这就是用 type cast to a struct flavor 来提取字段的方式。

没有 struct flavor 的话，就无法真正实现像上面那样“编译一次”，然后就能在不同内核上都能运行的 BPF 程序 —— 而只能用#ifdef 来控制源代码，编译成两个独立的 BPF 程序变种，在运行时（runtime）由控制应用根据所在机器的内核版本选择其中某个变种。所有这些都添加了不必要的复杂性和痛苦。相比之下，以上 BPF CO-RE 方式虽然不是透明的（上面的代码中也包含了内核版本相关的逻辑），但允许用熟悉的 C 代码结构解决即便是这样的高级场景的问题。

4.4 根据用户提供的配置修改程序行为

BPF 程序知道内核版本和配置信息，有时还不足以判断如何 —— 以及以何种方式 —— 从该版本的内核获取数据。在这些场景中，用户空间控制应用（control application）可能是唯一知道究竟需要做哪些事情，以及需要启用或禁用哪些特性的主体。这通常是在用户空间和 BPF 程序之间通过某种形式的配置数据来通信的。

BPF map 方式

要实现这种目的，一种不依赖 BPF CO-RE 的方式是：将 BPF map 作为一个存储配置数据的地方。BPF 程序从 map 中提取配置信息，然后基于这些信息改变它的控制流。

但这种方式有几个主要的缺点：

BPF 程序每次执行 map 查询操作，都需要运行时开销（runtime overhead）。

多次查询累积起来，开销就会比较比较明显，尤其在一些高性能 BPF 应用的场景。
配置内容（config value），虽然在 BPF 程序启动之后就是不可变和只读 （immutable and read-only）的了，但 BPF 校验器在校验时扔把它们当作未知的黑盒值。

这意味着校验器无法消除死代码，也无法执行其他高级代码分析。进一步，这意味着我们无法将代码逻辑放到 map 中，例如，能处理不同内核版本差异的 BPF 代码，因为 map 中的内容对校验器都是黑盒，因此校验器对它们是不信任的 —— 即使用户配置信息是安全的。

只读的全局数据方式

这种（确实复杂的）场景的解决方案：使用只读的全局数据（read-only global data）。这些数据是在 BPF 程序加载到内核之前，由控制应用设置的。

从 BPF 程序的角度看，这就是正常的全局变量访问，没有任何 BPF map lookup 开销 —— 全局变量实现为一次直接内存访问。
控制应用方面，在 BPF 程序加载到内核之前设置初始的配置值，此后配置值就是全局可访问且只读（well known and read-only）的了。

这使得 BPF 校验器能将它们作为常量对待，然后就能执行高级控制流分析 （advanced control flow analysis）来消除死代码。

因此，针对上面那个例子，

某些老内核的 BPF 校验器就能推断出，例如，代码中某个未知的 BPF helper 不可能会用到，接下来就可以将相关代码直接移除。
而对于新内核来说，应用提供的配置（application-provided configuration）会所有不同，因此 BPF 程序就能用到功能更强大的 BPF helper，而且这个逻辑能成功通过 BPF 校验器的验证。

下面的 BPF 代码例子展示了这种用法：

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/* global read-only variables, set up by control app */
const bool use_fancy_helper;
const u32 fallback_value;

...

u32 value;
if (use_fancy_helper)
    value = bpf_fancy_helper(ctx);
else
    value = bpf_default_helper(ctx) * fallback_value;

从用户空间方面，通过 BPF skeleton 可以很方便地做这种配置。BPF skeleton 的讨论不在本文讨论范围内，使用它来简化 BPF 应用的例子，可参考内核源码中的 runqslower tool。

5 总结

BPF CO-RE 的目标是：

作为一种简单的方式帮助 BPF 开发者解决简单的移植性问题（例如读取结构体的字段），并且
作为一种仍然可行（不是最优，但可容忍）的方式 解决复杂的移植性问题（例如不兼容的数据结构改动、复杂的用户空间控制条件等）。
使得开发者能遵循”一次编译、到处运行“（Compile Once – Run Everywhere）范式。

这是通过几个 BPF CO-RE 模块的组合实现的：

vmlinux.h 消除了对内核头文件的依赖；
字段重定位信息（字段偏置、字段是否存在、字段大小等等）使得从内核提取数据这个过程变得可移植；
libbpf 提供的 Kconfig extern 变量允许 BPF 程序适应不同的内核版本 —— 以及配置相关的差异；
当其他方式都失效时，应用提供的只读配置和 struct flavor 最终救场，能解决任何需要复杂处理的场景。

要成功地编写、部署和维护可移植 BPF 程序，并不是必须用到所有这些 CO-RE 特性。只需选择若干，用最简单的方式解决你的问题。

BPF CO-RE 使我们回到了熟悉、自然的工作流程：将 BPF C 源码编译成二进制，然后将二进制文件分发到目标机器进行部署和运行 —— 无需再随着应用一起分发重量级的编译器库、无需消耗宝贵的运行时资源做运行时编译（runtime compilation），也无需等到运行之前才能捕捉一些细微的编译时错误（ compilation errors in runtime）了。

参考资料

BPF CO-RE presentation from LSF/MM2019 conference:summary, slides.
Arnaldo Carvalho de Melo’s presentation “BPF: The Status of BTF” dives deep into BPF CO-RE and dissects the runqslower tool quite nicely.
BTF deduplication algorithm

译者序

1 BPF 现状

2 BPF 可移植性面临的问题

2.1 可移植：为什么理论上可行

2.2 可移植：挑战

内核版本不同：字段被重命名或移动位置

内核版本相同但配置不同：字段在编译时被移除（compile out）

小结

2.3 可移植：BCC 方式

2.4 BCC 方式的缺点

3 BPF CO-RE：高层机制

3.1 BTF（BPF Type Format）

3.2 编译器支持

3.3 BPF 加载器（libbpf）

3.4 内核

4 BPF CO-RE：用户侧经验

4.1 摆脱内核头文件依赖

4.2 读取内核结构体字段

4.2.1 例子：读取 task_struct->pid 字段

方式一：BCC（可移植）

方式二：libbpf + BPF_PROG_TYPE_TRACING（不可移植）

方式三：BPF_PROG_TYPE_TRACING + CO-RE（可移植）

方式四：libbpf + CO-RE bpf_core_read()（可移植）

4.2.2 例子：读取 task->mm->exe_file->f_inode->i_ino 字段

方式一：BCC（可移植）

方式二：BPF CO-RE（可移植）

4.2.3 其他与字段读取相关的 CO-RE 宏

4.3 处理内核版本和配置差异

libbpf 提供的 externs Kconfig 全局变量

struct flavors

4.4 根据用户提供的配置修改程序行为

BPF map 方式

只读的全局数据方式

5 总结

参考资料

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其它

4.2.1 例子：读取 `task_struct->pid` 字段

方式二：`libbpf` + `BPF_PROG_TYPE_TRACING`（不可移植）

方式三：`BPF_PROG_TYPE_TRACING` + CO-RE（可移植）

方式四：libbpf + CO-RE `bpf_core_read()`（可移植）

4.2.2 例子：读取 `task->mm->exe_file->f_inode->i_ino` 字段

libbpf 提供的 `externs` Kconfig 全局变量