eBPF：探索 Java GC 事件的神秘世界

后端

2023-10-30 06:43:05

eBPF 是一个强大而灵活的工具，它可以帮助我们捕获和分析 Linux 内核的各种事件。通过将用户定义的代码加载到内核中，我们可以动态地拦截和处理这些事件，从而实现各种强大的功能。

USDT（用户态动态跟踪）是 eBPF 的一项重要特性，它允许我们捕获用户态应用程序的事件。通过在应用程序中插入 USDT 探针，我们可以捕获特定的事件，并将这些事件的信息传递给 eBPF 程序进行分析。

在本文中，我们将使用 USDT 捕获 Java GC 事件的耗时。通过分析这些数据，我们可以了解 Java GC 的运行情况，并找出性能瓶颈。

前提条件

在开始之前，我们需要确保系统已经满足以下条件：

Linux 内核版本 >= 4.14
eBPF 工具集
Java JDK 1.8+
Apache Maven

安装 eBPF 工具集

$ sudo apt install libbpf-dev
$ sudo apt install linux-tools-common
$ sudo apt install linux-tools-generic

安装 Java JDK

$ sudo apt install openjdk-8-jdk

安装 Apache Maven

$ sudo apt install maven

编写 Java 程序

现在，我们可以编写一个简单的 Java 程序来演示如何使用 USDT 捕获 GC 事件。

import com.sun.management.GarbageCollectionNotificationInfo;
import com.sun.management.GcInfo;

import javax.management.*;
import javax.management.openmbean.CompositeData;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.util.List;

public class GcEvent {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MBeanServer mbs = ManagementFactory.getPlatformMBeanServer();

        ObjectName gcNotificationObjectName = ObjectName.getInstance("java.lang", "type", "GarbageCollector");
        GcNotificationInfo notificationInfo = new GcNotificationInfo();
        NotificationEmitter emitter = (NotificationEmitter) mbs.getBean(gcNotificationObjectName, NotificationEmitter.class);
        emitter.addNotificationListener(notificationInfo, null, null);

        while (true) {
            Notification notification = notificationInfo.waitForNotification();
            CompositeData cd = (CompositeData) notification.getUserData();
            List<GcInfo> gcInfoList = (List<GcInfo>) cd.get("gcInfo");

            for (GcInfo gcInfo : gcInfoList) {
                System.out.println("GC event: " + gcInfo.getId() + ", duration: " + gcInfo.getDuration());
            }
        }
    }
}

编译 Java 程序

$ mvn clean package

运行 Java 程序

$ java -agentlib:libbpf.so -cp target/gc-event-1.0-SNAPSHOT.jar GcEvent

编写 eBPF 程序

现在，我们可以编写一个 eBPF 程序来捕获 Java GC 事件。

#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_tracing.h>

#define GC_EVENT "gc_event"

struct gc_event_t {
    u64 timestamp;
    u32 gc_id;
    u64 duration;
};

SEC("uprobe/java_start_gc")
int bpf_start_gc(struct pt_regs *ctx)
{
    struct gc_event_t event = {};
    event.timestamp = bpf_ktime_get_ns();
    event.gc_id = PT_REGS_PARM1(ctx);

    bpf_perf_event_output(ctx, &event, sizeof(event));

    return 0;
}

SEC("uprobe/java_end_gc")
int bpf_end_gc(struct pt_regs *ctx)
{
    struct gc_event_t event = {};
    event.timestamp = bpf_ktime_get_ns();
    event.gc_id = PT_REGS_PARM1(ctx);
    event.duration = event.timestamp - bpf_perf_event_read(ctx);

    bpf_perf_event_output(ctx, &event, sizeof(event));

    return 0;
}

编译 eBPF 程序

$ clang -O2 -target bpf -c gc_event.c -o gc_event.o

加载 eBPF 程序

$ sudo bpftool prog load gc_event.o /sys/fs/bpf/gc_event

运行 eBPF 程序

$ sudo bpftool prog attach gc_event tracepoint/java/start_gc
$ sudo bpftool prog attach gc_event tracepoint/java/end_gc

查看 eBPF 程序输出

$ sudo bpftool prog show gc_event

卸载 eBPF 程序

$ sudo bpftool prog detach gc_event tracepoint/java/start_gc
$ sudo bpftool prog detach gc_event tracepoint/java/end_gc
$ sudo bpftool prog unload gc_event