C 语言用户态函数可观测性

本文不是介绍 eBPF 相关的用户态 Probe 的内容，而是如何利用开源 C 语言库Melon的函数模板来轻松实现函数的可观测性需求，例如：测量耗时等。

本文主要介绍的是 Melon 库中的func模块，之所以没有给这个模块起名叫可观测性或者span，原因是这是一个更为通用的模块，不仅限于可观测性的需求。

func模块实现的功能与 GCC 的 constructor 和 destructor 特性十分相似，就是在 C 语言函数的入口和出口增加用户自定义回调函数，在调用函数时自行调用这些函数。

我们先看一个简单的例子：

// a.c

#include "mln_func.h"

MLN_FUNC(int, abc, (int a, int b), (a, b), {
    printf("in %s\n", __FUNCTION__);
    return a + b;
})

MLN_FUNC(static int, bcd, (int a, int b), (a, b), {
    printf("in %s\n", __FUNCTION__);
    return abc(a, b) + abc(a, b);
})

static void my_entry(const char *file, const char *func, int line)
{
    printf("entry %s %s %d\n", file, func, line);
}

static void my_exit(const char *file, const char *func, int line)
{
    printf("exit %s %s %d\n", file, func, line);
}


int main(void)
{
    mln_func_entry_callback_set(my_entry);
    mln_func_exit_callback_set(my_exit);
    printf("%d\n", bcd(1, 2));
    return 0;
}

这段代码中，使用MLN_FUNC定义了两个函数，分别为abc和bcd，且在bcd中会调用abc。其实这个模板宏相对比较容易理解，其宏函数参数顺序如下：

返回值类型（涵盖函数作用域，如static）
函数名
函数形参列表（需要用()扩住）
函数实参列表（需要用()扩住）
函数体

这里唯一有些困惑的是实参列表，这与宏的实现有关。我们以abc为例，简述一下实现原理。

原理：这个宏会定义两个函数，一个名为abc，一个名为__abc。函数体其实对应的是__abc，也就是说__abc才是真正我们期望调用的那个函数，而abc是对__abc的一个封装，会在__abc的调用前后调用自定义回调函数。

而实参列表就是在函数abc中调用__abc时需要给__abc传递的参数，所以这个参数列表其实就是形参列表去掉类型之后的名字和顺序。

这个实参列表无法忽略，是因为__abc不能省略，而__abc不能省略是因为函数体中可能包含 return 语句，因此我们无法完全隐式地在 return 前，甚至是在 return 的表达式计算后真正的返回前调用回调函数。所以必须单独定义成一个函数也就是__abc。

下面我们来编译这个程序：

cc -o a a.c -I /path/to/melon/include -L /path/to/melon/lib -lmelon

其中/path/to/melon的部分是 Melon 的安装路径，默认一般是/usr/local/melon。

然后运行一下

./a

in bcd
in abc
in abc
6

你会发现回调函数完全没被调用。这不是我们的代码有问题，而是我们并未启用模板功能。模板启用需要编译时存在MLN_FUNC_FLAG的宏定义，我们既可以将它定义在源文件中，也可以在编译时作为命令行参数给出。下面我以后者为例展示：

cc -o a a.c -I /path/to/melon/include -L /path/to/melon/lib -lmelon -DMLN_FUNC_FLAG

再次运行

./a

entry a.c bcd 10
in __bcd
entry a.c abc 5
in __abc
exit a.c abc 5
entry a.c abc 5
in __abc
exit a.c abc 5
exit a.c bcd 10
6

可以看到，回调函数都被正常调用了。

利用这个开关宏，我们可以在不修改任何代码的情况下，轻松切换是否需要开启这项功能。

综合示例

前面给出的例子比较简单，那么下面就来看一个实现测量函数调用耗时的例子吧。

这里我将给出三个文件：

span.h：这是为测量耗时所定义的数据结构和函数声明等内容。
span.c：这是为测量耗时定义的相关函数。
a.c：这是我们自定义的一些函数以及在main函数中调用这些函数。

其中，span.h和span.c可以随意复制粘贴使用，这是一个独立的模块，当然，你还需要先安装好 Melon 库。

span.h

#include <sys/time.h>
#include "mln_array.h"

typedef struct mln_span_s {
    struct timeval     begin;
    struct timeval     end;
    const char        *file;
    const char        *func;
    int                line;
    mln_array_t        subspans;
    struct mln_span_s *parent;
} mln_span_t;

extern int mln_span_start(void);
extern void mln_span_stop(void);
extern void mln_span_dump(void);
extern void mln_span_release(void);

这里定义了一个数据结构mln_span_t，用来存放函数调用的起始和结束时的时间戳，以及函数所在源文件的信息。还包含了这个函数中调用的其他函数的调用时长信息，以及一个指向上一级调用（也就是调用当前函数的函数）信息的指针。

也就是说，当我们的函数执行完毕后，我们遍历这个结构就能拿到完整的调用关系及其调用细节。

span.c

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "span.h"
#include "mln_stack.h"
#include "mln_func.h"

static mln_stack_t *callstack = NULL;
static mln_span_t *root = NULL;

static void mln_span_entry(const char *file, const char *func, int line);
static void mln_span_exit(const char *file, const char *func, int line);
static mln_span_t *mln_span_new(mln_span_t *parent, const char *file, const char *func, int line);
static void mln_span_free(mln_span_t *s);

static mln_span_t *mln_span_new(mln_span_t *parent, const char *file, const char *func, int line)
{
    mln_span_t *s;
    struct mln_array_attr attr;

    if (parent != NULL) {
        s = (mln_span_t *)mln_array_push(&parent->subspans);
    } else {
        s = (mln_span_t *)malloc(sizeof(mln_span_t));
    }
    if (s == NULL) return NULL;

    memset(&s->begin, 0, sizeof(struct timeval));
    memset(&s->end, 0, sizeof(struct timeval));
    s->file = file;
    s->func = func;
    s->line = line;
    attr.pool = NULL;
    attr.pool_alloc = NULL;
    attr.pool_free = NULL;
    attr.free = (array_free)mln_span_free;
    attr.size = sizeof(mln_span_t);
    attr.nalloc = 7;
    if (mln_array_init(&s->subspans, &attr) < 0) {
        if (parent == NULL) free(s);
        return NULL;
    }
    s->parent = parent;
    return s;
}

static void mln_span_free(mln_span_t *s)
{
    if (s == NULL) return;
    mln_array_destroy(&s->subspans);
    if (s->parent == NULL) free(s);
}

int mln_span_start(void)
{
    struct mln_stack_attr sattr;

    mln_func_entry_callback_set(mln_span_entry);
    mln_func_exit_callback_set(mln_span_exit);

    sattr.free_handler = NULL;
    sattr.copy_handler = NULL;
    if ((callstack = mln_stack_init(&sattr)) == NULL)
        return -1;

    return 0;
}

void mln_span_stop(void)
{
    mln_func_entry_callback_set(NULL);
    mln_func_exit_callback_set(NULL);
    mln_stack_destroy(callstack);
}

void mln_span_release(void)
{
    mln_span_free(root);
}

static void mln_span_format_dump(mln_span_t *span, int blanks)
{
    int i;
    mln_span_t *sub;

    for (i = 0; i < blanks; ++i)
        printf(" ");
    printf("| %s at %s:%d takes %lu (us)\n", \
           span->func, span->file, span->line, \
           (span->end.tv_sec * 1000000 + span->end.tv_usec) - (span->begin.tv_sec * 1000000 + span->begin.tv_usec));

    for (i = 0; i < mln_array_nelts(&(span->subspans)); ++i) {
        sub = ((mln_span_t *)mln_array_elts(&(span->subspans))) + i;
        mln_span_format_dump(sub, blanks + 2);
    }
}

void mln_span_dump(void)
{
    if (root != NULL)
        mln_span_format_dump(root, 0);
}

static void mln_span_entry(const char *file, const char *func, int line)
{
    mln_span_t *span;

    if ((span = mln_span_new(mln_stack_top(callstack), file, func, line)) == NULL) {
        fprintf(stderr, "new span failed\n");
        exit(1);
    }
    if (mln_stack_push(callstack, span) < 0) {
        fprintf(stderr, "push span failed\n");
        exit(1);
    }
    if (root == NULL) root = span;
    gettimeofday(&span->begin, NULL);
}

static void mln_span_exit(const char *file, const char *func, int line)
{
    mln_span_t *span = mln_stack_pop(callstack);
    if (span == NULL) {
        fprintf(stderr, "call stack crashed\n");
        exit(1);
    }
    gettimeofday(&span->end, NULL);
}

这里就是耗时统计所需要的所有函数定义。利用一个栈数据结构来保证函数的调用关系，然后在函数的入口回调处创建mln_span_t结点记录起始时间和函数信息并入栈，在出口回调处记录结束时间并出栈。

a.c

#include "span.h"
#include "mln_func.h"

MLN_FUNC(int, abc, (int a, int b), (a, b), {
    return a + b;
})

MLN_FUNC(static int, bcd, (int a, int b), (a, b), {
    return abc(a, b) + abc(a, b);
})

int main(void)
{
    mln_span_start();
    bcd(1, 2);
    mln_span_stop();
    mln_span_dump();
    mln_span_release();
    return 0;
}

这里还是那个配方，就是调用bcd，然后bcd调用abc。我们这次在main函数中使用span.h中声明的函数。

一起来简单编译一下：

cc -o a span.c a.c -I /usr/local/melon/include -L /usr/local/melon/lib -lmelon -DMLN_FUNC_FLAG

然后运行一下：

./a

| bcd at a.c:8 takes 2 (us)
  | abc at a.c:4 takes 0 (us)
  | abc at a.c:4 takes 0 (us)

小结

Melon的函数模板其实设计之初也是为了可观测性，因为 GCC 仅支持了 constructor 和 destructor 。如果显式地在代码中加入各种跟踪函数调用，就会让整个函数定义看着非常不连贯和杂乱。因此选择了当前的这个使用方式，但也不可避免的引入了看似没什么用途的实参部分。

另外，Melon 库支持模块选择性编译，因此函数模版模块可以单独编译成库，换言之，这个模块是完全无操作系统依赖的，单片机的小伙伴们可以随意取用。

感谢阅读！