動的アスペクト指向に基づいた
使いやすいカーネルプロファイラ
(A Dynamic Aspect Oriented Kernel Profiler for
Ease of Use)
柳澤 佳里 （学籍番号: 03M37311）
指導教官: 千葉 滋
東京工業大学 情報理工学研究科 数理・計算科学専攻
1
カーネルプロファイリング
動機： ネットワーク性能の劣化を調査
ダウンロード中にSSHのレスポンスが悪化
十分なネットワーク帯域があるのに発生
カーネルプロ
ファイラが必要
カーネル内にボトルネック？
疑わしい場所は無数に存在
プロファイル
if_output
write
socket
TCP
IP
datalink
2
従来のカーネルプロファイリング技術
測定粒度が固定
関数単位 – μDyner [Marc ’03]
サポートされた種類のイベント – LKST [畑崎 ’03]
任意の粒度で測定
メモリ中のアドレスを直接指定 – KernInst [Ariel ’02]
構造体、ローカル変数、インライン関数、static関数、マク
ロなどのアドレスが実行時に消失
3
プロファイルできない例
構造体メンバへの代入を逐一プロファイル
mbuf構造体 - ネットワークI/Oで多用
tcp_output(…)
struct mbuf {
struct m_hdr m_hdr;
{
…
struct mbuf *m;
}
m->m_len = hdrlen; #define m_len m_hdr.m_len
…
}
アドレス情報はバイナリに欠如
アドレスの直指定はユーザに重荷
測定したい処理のアドレスを特定できない
4
KLAS (Kernel Level Aspectoriented System)
Source-based binary-level dynamic weaving
カーネル用アスペクト指向システム
動的にコード挿入
ソースレベルで挿入コードと位置を指定
アスペクトをXMLとして記述
再コンパイル・再起動が不要
任意の処理を指定可能
コンパイラの改造によりシンボル情報を拡張
実行時にweaverがシンボル情報を利用可能に
5
KLASにより指定可能となる処理
関数ポインタ呼び出し
カーネル内のポリモル
フィズム的コードで多用
E.g.) VFS、ファイル、ソ
ケットなどの入出力
fo_read(…)
{
return ((*fp->f_ops->fo_read(…));
}
データアクセス
まとまったデータのやり
取りを行う箇所で多用
E.g.) mbuf、ファイル
キャッシュの統計情報
tcp_input(…)
{
…
m->m_len += hdrlen;
m->m_data -= hdrlen;
….
}
6
KLASの文法
m_lenへのアクセス
をポイントカットとし
て抽出
<aspect name=“log_reset_len”>
<pointcut>
<field name=“m_len” structure=“mbuf” />
</pointcut>
<advice>
struct timespec ts;
nanotime(&ts);
printf(“%d,%lld”, ts.tv_sec, ts.tv_nsec);
</advice>
</aspect> ポイントカット位置
で時間を表示
7
KLASの文法
m_lenへのアクセス
をポイントカットとし
て抽出
<aspect name=“log_reset_len”>
<pointcut>
<field name=“m_len” structure=“mbuf” />
</pointcut>
<advice>
tcp_output(…)
struct timespec ts;
{
struct mbuf *m;
nanotime(&ts);
struct timespec ts;
printf(…);
…..
</advice>
printf(…)
</aspect>
m->m_len = hdrlen;
…
8
実装の概要
アスペクト
（XML）
OSソースコード
KLAS_gcc
KLAS
アドバイス
ローダ
アドレス
リゾルバ
フック
挿入
コンパイル済アドバイス
シンボル
情報
フック
シンボル情報抽出
OSカーネル
(FreeBSD)
コンパイル
9
KLAS_gccの実装
gcc 3.3.4を改造
出力するシンボル情報を拡張
構造体メンバアクセスのファイル名、行を出力
ip_output(…) {
struct mbuf *m0;
…
m0->m_pkthdr
…
}
1
シンボル情報
ハッシュ表
２
KLAS_gcc
3
/usr/…/ip_output.c:879:mbuf.m_pkthdr
1. ハッシュ表に構造体名、IDを保存
2. IDをキーにして構造体名を取得
3.
10
ファイル名、行番号、構造体名、メ
ンバ名を出力
アドレスリゾルバ：
メンバアクセスとアドレスの対応
構造体名、メンバ名を渡すと対応するファイル
名、行情報の一覧を得る
拡張シンボル情報を検索
ファイル名、行情報よりアドレスを得る
バイナリに入っているデバッグ情報を調査
拡張シンボル情報
構造体名
メンバ名
…
/usr/…put.c:175:ip.ip_v
/usr/…put.c:176:ip.ip_hl
…
/usr/…257:mbuf.m_flags
35
debug_info
2
対応する
ファイル名、行
0
4
1
“ip_output.c”
“GNU C Compiler”
“frodo:/usr/src/sys/…”
…
アドレス
11
アドバイスローダ：
アドバイスのカーネル内部へのロード
カーネルモジュール(KM)としてロード
KMでは重複しない任意の関数をロード、使用可能
動作
ヘッダ
アドバイス
フッタ
#include <sys/types.h>
#include <sys/module.h>
…
static int log_mbuf_loader(…) {
…
}
int log_mbuf(….) {
struct timespec ts;
nanotime(&ts);
printf(… ts.tv_nsec);
}
DECLARE_MODULE(…ANY);
コンパイル済みアドバイス
（カーネルモジュール）
ロード(kldload)
OSカーネル
12
フック挿入：
カーネルへのフック埋め込み
ブレークポイントトラップ(BPT)をフックに使用
x86では1byte命令で実行フローを破壊しない
動作
３．BPT挿入
BPT
フック挿入
コンパイル済みアドバイス
１．アドバイスのアドレスを取得
アドレスマップ
２．アドレスマップに登録
13
フック挿入：
カーネルへのフック埋め込み
ブレークポイントトラップ(BPT)をフックに使用
x86では1byte命令で実行フローを破壊しない
動作 （フック作動時）
BPT
１．処理が遷移
フック挿入
トラップ処理ルーチン
３．アドバイスを実行
２．対応アドバイス
コンパイル済みアドバイス
の確認
アドレスマップ
14
実験I:カーネルコンパイル時間
実験内容
KLAS_gccのオーバーヘッドを測定
実験環境
KLAS_gcc、gccのカーネルコンパイル時間を比較
CPU: AMD Athlon 2200+, Mem: 1GB, HDD: UDMA133
実験結果
総実行時間（秒）
gcc
KLAS_gcc
294.25
527.86
User
System
211.72
223.06
System時間が大きい
I/Oオーバーヘッドが原因?
79.54
301.07
15
実験II: フック数と実行時間
目的
実験結果
フックの数と実行時間の
変化の調査
実験内容
システムコールの実行時
間を測定
システムコール内で千個
の関数を順に呼び出し
各関数に挿入するアスペ
クトは高々1つ
アドバイス内容は空
非線形に増加
16
線形リストによる実装が原因？
関連研究(1)
アスペクト指向システム
AspectC++ [Olaf ’02]
ソースレベルのアスペクト指向システム
実行時のフック埋め込みは不可
μDyner [Marc ’03]
動的にフック埋め込みを実施
コンパイル時にフック埋め込み可能箇所が決定
ポイントカット可能位置の増加でコードサイズが増加
17
従来の
C/C++用アスペクト指向システム
動的アスペクト指向システム
シンボル情報が少なくポイントカット指定が限定的
関数の先頭のみをポイントカットとして指定可能
コンパイル時に構造体、マクロの情報が消失
静的アスペクト指向システム
ポイントカット、アドバイスの変更のたびに
再コンパイル、再起動が必要
再起動によりメモリ内容が消失
再起動には長時間消費し開発効率が低下
KLASではシンボル情報を拡張し、実行時に構造体、マクロをポイントカット可能
18
関連研究(2)
カーネルプロファイラ
LKST [畑崎 ’03]
決められたイベントの箇所でログ出力可能
KLASは関数呼び出し、構造体アクセスでログ出力可能
カーネルコード変換
KernInst [Ariel ’02]
Solaris版はジャンプ, Linux版はBPTでフックを実現
カーネル内の任意の箇所にコード挿入可能
バイナリの情報のみ使用可能
KLASはソースレベルの情報で指定可能
19
まとめ
カーネル用アスペクト指向システムKLASの提案
FreeBSD 5.2.1、gcc 3.3.4を改造して実装
ソースコードを参照し、実行中のバイナリにフック埋め込み
コンパイラを改造し、シンボル情報を拡張
拡張したシンボル情報を用いてフック埋め込みアドレスを取得
フックとしてBPTを使用
実験
カーネルコンパイル時間が約2倍となることがわかった
フックの数に対して非線形に消費時間が増加することがわ
かった
20
今後の課題
コンパイラ性能の改善
フックアドレス、アドバイスマップの改善
データ構造の変更による所要オーダーの軽減
フックをより正確な位置に挿入
バッファリングによるI/Oオーバーヘッドの軽減
現在は行単位でフックを挿入
アスペクト間の依存関係の取り扱いの実現
存在しないデータをアクセスする危険性の除去
21
22
23
カーネルプロファイラに必要な機能
実行時に時間測定箇所を変更可能
時間測定のコードを指定可能
多くのOSカーネルのコードはC言語で書かれる
測定の影響を最小化
ログを取得するため
C言語に対応
プロファイリングが進むと測定範囲を縮小
測定誤差を最小化
時間測定箇所を細密に指定可能
測定の精度を高めたい
24
実装の概要
アスペクト
（XML）
KLAS
アスペクトを
コンパイル
KLAS_gcc
アスペクトローダ
アドレスリゾルバ
OSカーネル
ソースコード
シンボル
情報
シンボル情報抽出
フック挿入
コンパイル済み
アスペクト
コンパイル
OSカーネル
(FreeBSD)
25
KLAS_gccの実装
gcc 3.3.4を改造
出力するシンボル情報を拡張
構造体メンバアクセスのファイル名、行を出力
ip_output(…) {
struct mbuf *m0;
…
m0->m_pkthdr
…
}
1.ハッシュ表に
構造体名、IDを保存
ハッシュ表
2.IDをキーにして構造体名を取得
3.ファイル名、行番号、構造体名、メンバ名を出力
シンボル情報
/usr/…/ip_output.c:879:m0.m_pkthdr
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