作者：闻茂泉
他山之石
了解和掌握纯 c 语言的 ebpf 编译和使用，有助于我们加深对于 eBPF 技术原理的进一步掌握，也有助于开发符合自己业务需求的高性能的 ebpf 程序。目前常见和主流的纯 c 语言的 ebpf 编译使用方法，主要是两种。一种是内核源码中原生提供的编译方式。另外一种是 libbpf-bootstrap 项目中提供的 skeleton 编译方式。libbpf-bootstrap 方式和社区 5.x 以上内核结合的比较好，以后再做介绍，今天我们选择基于 4.18 内核的基于内核源码的原生编译方式做介绍。
在国内学习 ebpf 技术，就不得不提到《Linux 内核观测技术 BPF》书籍译者狄卫华老师。狄老师还有一个网站《深入浅出 eBPF》。在网站里，他专门用一篇文章介绍了基于内核源码方式编译 ebpf 的方式，文章内容叫《【BPF 入门系列-3】BPF 环境搭建》
网址：https://www.ebpf.top/post/ebpf_c_env/
我们今天将参考这篇文章内容，对基于内核源码方式的纯 c 语言的 ebpf 编译方式做进一步分析。
获取内核源码
目前主流的服务器的操作系统环境还是以 8u + 4.18 内核为主。因此，本文以 4.18 版本内核为主要分析对象。我们提供如下操作系统环境的获取建议：
获取操作系统环境
如果你自己有 centos8u 兼容环境操作系统，则可以使用已有的环境。如果没有，可以通过阿里云官网购买阿里云主机，选择选择 centos8 或者 anolis8 操作系统环境。
$ cat /etc/centos-release CentOS Linux release 8.5.2111 $ uname -r 4.18.0-348.7.1.el8_5.x86_64
获取开源的内核源码
可以使用 wget，从 aliyun 官网镜像，获取开源的 4.18 内核源码。
$ cd /tmp/$ wget https://mirrors.aliyun.com/linux-kernel/v4.x/linux-4.18. tar.gz$ tar -zxvf linux-4.18.tar.gz$ cd linux-4.18
下载内核源码一定要确保内核版本与操作系统的一致。原因是 ebpf 会用到 VERSION、PATCHLEVEL 和 SUBLEVEL 这 3 个宏的值与内核做内核版本校验。如果版本传的不对，ebpf 校验会失败。
$ cat Makefile | grep -P '^VERSION|^PATCHLEVEL|^SUBLEVEL' VERSION = 4 PATCHLEVEL = 18 SUBLEVEL = 0
初始化基础环境
需要安装 ebpf 编译时依赖的 llvm 和 clang 等 rpm 包。此外内核编译还需要依赖 openssl-devel 等 rpm 包。
$ sudo yum install bison flex openssl-devel $ sudo yum install clang llvm elfutils-libelf-devel
具体每个实验机器的环境可能略有差别，需要根据自己的情况做细节调整。
编译内核源码中 ebpf 程序样例
编译环境初始化
狄老师的文章中这里执行的是 make scripts，在内核源码编译时此步骤前通常还需要执行 make prepare。而 make init 正好包含这两步 make prepare && make scripts。因此，我们将命令按照如下方式优化，基本能够一遍跑过：
$ cd /tmp/linux-4.18 $ make oldconfig && make init # make oldconfig && make prepare && make scripts $ make headers_install
编译内核源码样例
终于执行到了内核源码中提供的 ebpf 程序样例的编译。
$ make M=samples/bpf
执行样例程序
我们可以通过对样例程序的执行，对编译效果进行验证。结果显示执行成功，狄老师文章中的步骤验证通过，有点小激动。
$ sudo ./samples/bpf/trace_output recv 1766352 events per sec
内核源码的 ebpf 编译关键过程提取
接下去就是本文最重点的部分，对 ebpf 编译过程的分析。我们主要分分析 headers_install 和对 samples/bpf 目录的 make 这 2 个步骤。
头文件安装 make headers_install
重新获取一个干净的内核源码，再次执行上面的编译步骤。这次我们对编译过程增加一些观察步骤。
$ cd /tmp/ $ rm -fr /tmp/linux-4.18 $ tar -zxvf linux-4.18.tar.gz $ cd /tmp/linux-4.18 $ make oldconfig && make init $ ls usr/include/ ls: cannot access usr/include/: No such file or directory # 此时include目录不存在 $ make headers_install $ ls usr/include/ -R | grep -v -P ':$' | grep -v -P '^$' | wc -l931 # 此时include目录下有931个文件 $ diff -rs usr/include/ /usr/include/|grep -P '^Files .+ and .+ are identical$'|wc -l677
这说明内核源码目录下，headers_install 步骤生成的 usr/include/目录下功能 900 多个文件，其中大多数（677 个）文件都能在操作系统环境的/usr/include/下找到完全一摸一样的同名文件，并且内容也完全相同。
$ rpm -ql kernel-headers | wc -l 964 $ rpm -ql kernel-headers | head /usr/include/asm /usr/include/asm-generic /usr/include/asm-generic/bpf_perf_event.h
而操作系统环境的/usr/include/目录正好是 kernel-headers 包的安装目录。所以编译过程中 headers_install 步骤就是在内核源码目录生成了 kernel-headers 包作用一样的内容。
eBPF 样例编译 make M=samples/bpf
ebpf 样例的编译过程，我们做一下改进，通过 SHELL 选项打开 shell 的调试选项。具体命令如下：
$ make M=samples/bpf --debug=v,m SHELL="bash -x" > make.log 2>&1
通过分析 make.log，再结合其他一些黑科技，可以大概找出内核源码样例中 trace_output 命令的编译脉络。其中用户态编译脉络如下。为了表述上更加突出主题，此处只显示编译命令的关键信息，下一节会给出完整编译命令。
$ gcc -g -fPIC -c -o libbpf.o libbpf.c $ gcc -g -fPIC -c -o bpf.o bpf.c $ gcc -g -fPIC -c -o btf.o btf.c $ gcc -g -fPIC -c -o nlattr.o nlattr.c $ ld -r -o libbpf-in.o libbpf.o bpf.o nlattr.o btf.o $ ar rcs libbpf.a libbpf-in.o $ gcc -O2 -std=gnu89 -c -o bpf_load.o bpf_load.c $ gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_output_user.o trace_output_user.c $ gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_helpers.o trace_helpers.c $ gcc -o trace_output bpf_load.o trace_output_user.o trace_helpers.o libbpf.a -lelf -lrt
其中内核态编译脉络如下：
$ clang -O2 -emit-llvm -c trace_output_kern.c -o - $ llc -march=bpf -filetype=obj -o trace_output_kern.o
其中前一行最后的横线 - 表示 这里是输出给 shell 管道，所以这两行实际是可以通过 shell 管道拼接成一个命令来执行的。
手工编译内核源码中的 eBPF 样例分析
通过上一节对关键步骤 make M=samples/bpf 的实践，我们已经可以编译出内核源码中提供的 ebpf 样例。但这还不够我们充分地理解这个编译过程，我们将这编译过程继续拆解一下，拆解成可以一步步执行的那种，为了方便大家理解，我将这个过程分解为 A-H 6 大手工步骤，里面还会包含一些细分的小步骤：
$ cd /tmp/ $ rm -fr /tmp/linux-4.18$ tar -zxvf linux-4.18.tar.gz $ cd /tmp/linux-4.18 $ make oldconfig && make init $ make headers_install $ cd tools/lib/bpf/
手工步骤 A 过程解析
手工步骤 A1：
$ # gcc -g -fPIC -c -o libbpf.o libbpf.c $ gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o libbpf.o libbpf.c
手工步骤 A2：
$ # gcc -g -fPIC -c -o bpf.o bpf.c $ gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o bpf.o bpf.c
手工步骤 A3：
$ # gcc -g -fPIC -c -o btf.o btf.c $ gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o btf.o btf.c
手工步骤 A4：
$ # gcc -g -fPIC -c -o nlattr.o nlattr.c $ gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o nlattr.o nlattr.c
针对手工步骤 A1 到 A4 的关键编译选项做一些介绍。
- -fPIC，告诉编译器输出位置无关目标，为后面生成共享库埋下伏笔。
- -I. 表示需要包含当前目录下的头文件。
- -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf，这 4 个头文件，是用户态 ebpf 程序所依赖 tool 目录下的头文件位置。
手工步骤 B 过程解析
$ ld -r -o libbpf-in.o libbpf.o bpf.o nlattr.o btf.o
手工步骤 B 是将步骤 A 中产生 4 个.o 文件进行链接。
手工步骤 C 过程解析
$ ar rcs libbpf.a libbpf-in.o
手工步骤 C 是从链接后的文件中提取静态库文件。
手工步骤 D/E/F 过程解析
手工步骤 D：
$ # gcc -O2 -std=gnu89 -c -o bpf_load.o bpf_load.c$ gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./usr/include -Wno-unused-variable -c -o samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/bpf_load.c
手工步骤 E：
$ # gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_output_user.o trace_output_user.c $ gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/trace_output_user.c
手工步骤 F：
$ # gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_helpers.o trace_helpers.c $ gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.c
针对手工步骤 E 的关键编译选项做一些介绍。手工步骤 D 和手工步骤 F 与此类似。
- O2 和 -std=gnu89 是两个核心选项。
- include 选项，一共有 6 个，我们将其分为 3 组。第一组是-I./usr/include ，这表示包含等同于 kernel-headers 的内容。● 第二组是-I./tools/lib/， -I./tools/include，-I./tools/perf，-I./tools/lib/bpf/● 第三组是-I./tools/testing/selftests/bpf/。之所以把这一组单独独立出来，是因为它和样例代码处于同样的路径。
手工步骤 G 过程解析
$ # gcc -o trace_output bpf_load.o trace_output_user.o trace_helpers.o libbpf.a -lelf -lrt$ gcc -o samples/bpf/trace_output samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o /tmp/linux-4.18/samples/bpf/../../tools/lib/bpf/libbpf.a -lelf -lrt
针对手工步骤 G 的关键编译选项做一些介绍。
- -lelf -lrt 链接两个类库
- libbpf.a 表示以静态链接库的方式链接 libbpf 的类库。● 最关键的是，没有添加-static 选项，没有添加-static 选项，没有添加-static 选项，重要的事情说三遍。
手工步骤 H 过程解析
$ clang -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/8/include -I./arch/x86/include -I./arch/x86/include/generated -I./include -I./arch/x86/include/uapi -I./arch/x86/include/generated/uapi -I./include/uapi -I./include/generated/uapi -include ./include/linux/kconfig.h -Isamples/bpf -I./tools/testing/selftests/bpf/ -D__KERNEL__ -D__BPF_TRACING__ -D__TARGET_ARCH_x86 -O2 -emit-llvm -c samples/bpf/trace_output_kern.c -o - | llc -march=bpf -filetype=obj -o samples/bpf/trace_output_kern.o
针对手工步骤 H 的关键编译选项做一些介绍。
- -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/8/include，这 2 个选项是一组。nostdinc 表示屏蔽掉系统默认的 include 环境，替换成当前 gcc 编译器自带的 include 头文件环境。
- -I./arch/x86/include，-I./arch/x86/include/generated，-I./include，-I./arch/x86/include/uapi，-I./arch/x86/include/generated/uapi，-I./include/uapi，-I./include/generated/uapi。这 7 个头文件很关键，是内核态 ebpf 程序所依赖的绝大多数头文件的位置。● -include ./include/linux/kconfig.h，这个头文件也很关键，是让上面 7 个头文件生效的前提条件。● -I samples/bpf 和 -I ./tools/testing/selftests/bpf/，这 2 个头文件是和 ebpf 样例所处位置相同，单独独立出来看。● llc 是 llvm 的连接器。内核是将 clang 的编译和 llc 的链接独立成两步完成，在 llc 步骤才指定-march=bpf。对编译结果进行验证，完美验证通过，第二次有点小激动。
$ sudo ./samples/bpf/trace_outputrecv 1760674 events per sec
关键步骤抽取不是最终目的，根本目的是能让我们实现脱离内核源码进行独立的纯 C 语言编译。我们将在后续的文章中进一步阐述。
关于 4.9 版本内核
按照内核的原生步骤，对 4.9 内核进行一次编译，我们会发现对应手工步骤 E 的这一步，编译代码有点不一样，具体代码如下。
$ gcc -o samples/bpf/trace_output samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/libbpf.o samples/bpf/trace_output_user.o -lelf -lrt
其中没有了对 libbpf.a 静态库的链接，但却多了一个 libbpf.o 文件的链接。
$ cd /tmp/linux-4.9/ $ find . -name libbpf.c ./samples/bpf/libbpf.c ./tools/lib/bpf/libbpf.c
复制代码
查询内核源码，可以发现，在 4.9 内核下，有 2 个 libbpf.c 文件，分别处于./tools/lib/bpf/目录和./samples/bpf/目录。而内核 ebpf 样例暂时使用的还是老的./samples/bpf/libbpf.c 文件。
进一步探索
本文为 eBPF 动手实践系列的第一篇，我们实现了基于内核源码框架的一步一步的纯 C 语言编译，下一篇我们会对这个编译过程继续深入探索，实现脱离内核源码后的纯 C 语言编译。
欢迎有想法或者有问题的同学，加群交流 eBPF 技术以及工程实践。
SREWorks 数智运维工程群(钉钉群号：35853026)
附录: eBPF 手工纯 C 编译完整命令清单
cd /tmp/rm -fr /tmp/linux-4.18tar -zxvf linux-4.18.tar.gz cd /tmp/linux-4.18make oldconfig && make initmake headers_installcd tools/lib/bpf/ # 步骤A1# gcc -g -fPIC -c -o libbpf.o libbpf.cgcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o libbpf.o libbpf.c # 步骤A2# gcc -g -fPIC -c -o bpf.o bpf.cgcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o bpf.o bpf.c # 步骤A3# gcc -g -fPIC -c -o btf.o btf.cgcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o btf.o btf.c # 步骤A4# gcc -g -fPIC -c -o nlattr.o nlattr.cgcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o nlattr.o nlattr.c # 步骤Bld -r -o libbpf-in.o libbpf.o bpf.o nlattr.o btf.o # 步骤Car rcs libbpf.a libbpf-in.o cd /tmp/linux-4.18/ # 步骤D# gcc -O2 -std=gnu89 -c -o bpf_load.o bpf_load.cgcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./usr/include -Wno-unused-variable -c -o samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/bpf_load.c # 步骤E# gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_output_user.o trace_output_user.cgcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/trace_output_user.c # 步骤F# gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_helpers.o trace_helpers.cgcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.c # 步骤G# gcc -o trace_output bpf_load.o trace_output_user.o trace_helpers.o libbpf.a -lelf -lrtgcc -o samples/bpf/trace_output samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o /tmp/linux-4.18/samples/bpf/../../tools/lib/bpf/libbpf.a -lelf -lrt # 步骤Hclang -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/8/include -I./arch/x86/include -I./arch/x86/include/generated -I./include -I./arch/x86/include/uapi -I./arch/x86/include/generated/uapi -I./include/uapi -I./include/generated/uapi -include ./include/linux/kconfig.h -Isamples/bpf -I./tools/testing/selftests/bpf/ -D__KERNEL__ -D__BPF_TRACING__ -D__TARGET_ARCH_x86 -O2 -emit-llvm -c samples/bpf/trace_output_kern.c -o - | llc -march=bpf -filetype=obj -o samples/bpf/trace_output_kern.o
