カーネル用アスペクト指向システム KLAS

カーネル用アスペクト指向システム
KLAS
柳澤佳里* 光来健一* 千葉滋* 石川零*
*東京工業大学情報理工学研究科
1
カーネルプロファイラは必要
 カーネルのパフォーマンス向上は重要
 近年でもOSの性能を向上する改良は行われる
 FreeBSD、Linuxのスケジューラの改良
 FreeBSD、Linuxのロック粒度の改善
 TUX HTTP Server…など
 性能向上には劣化させているコードの発見が第一
 劣化させているところを改善したほうが費用対効果が
大きい
 劣化しているところがわからないと改良しようがない
2
従来のカーネルプロファイラの問題
 プロファイリングを行える点が限定的
 指定されたイベントにて調査
 関数の開始、終了点にて調査
 プロファイリングを行う点の構造化が困難
 プロファイリングをする箇所のソースコードに記述
 ソースコードにロジックに関係がないコードが混在し、
可読性が低下
 開発中に十分なモジュール化が必要だが、困難
3
カーネル用アスペクト指向システム: KLAS
 動的アスペクト指向システム
 アスペクトでプロファイリングの箇所、コードを指定
 粒度の細かい構造化されたプロファイリング箇所の
指定が可能
 Source-based binary-level dynamic weaving
により、構造体メンバーへのアクセスをポイントカット可能
 カーネルを停止せずにプロファイリングの開始、
終了が可能
 カーネルの停止、再起動による状態の消失がない
 再現に時間がかかる問題のプロファイリングに有利
4
KLASのアスペクト例
<aspect>
int inode_change_ok(…)
<import>linux/time.h</import>
{
<advice><pointcut>
…
ポイントカット
access(inode.i_uid) AND
if ((ia_valid & ATTR_UID) && …
within_function(inode_change_ok) フック attr->ia_uid != inode->i_uid) …
AND target(inode_value)
goto error;
ポイントカット箇所
</pointcut>
<before>
if ((ia_valid & ATTR_GID) &&
struct inode *i =
…
(struct inode *)inode_value;
}
struct timeval tv;
do_gettimeofday(&tv);
printk(“inode.i_uid: %d at %d.%d\n”,
•inode構造体のi_uidメンバーへの
i->uid, tv.tv_sec, tv.tv_usec);
アクセスをポイントカット
</before></advice>
アドバイス •アクセス時間を記録するアドバイスを実行
</aspect>
5
KLASのアスペクト
 ポイントカット:プロファイリング実施点の指定





execution: 関数実行点を指定
args: executionで指定した関数の引数を指定
access: 構造体メンバーアクセスの行頭を指定
target: accessで指定した構造体を指定
local: accessで指定した箇所のローカル変数を
指定
 アドバイス: 実行するプロファイリングのコード
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実装 (Overview)
OS
ソースコード
アスペクト
KLAS Cコンパイラ
アスペクトコンパイラ
ポイントカット
OSカーネル
コンパイル済みアドバイス
トランポリン
シンボル情報
デバッグ情報
ウィーバー
OSカーネル
本体
フック
7
KLAS Cコンパイラ: コンパイル時の動作
 コンパイル時にシンボル情報を収集
 改造したgccにより、構造体メンバーへのアクセスをした
ファイル名、行番号を記録
 改造したgccにより、構造体の名前、アクセス方法を記録
 Gcc、gasの改造により、最適化による行番号と
アドレスのマッピング情報の消失を抑制
 通常のGcc、gasはアドレスに対応する行を1つだけ記録
 ヘッダファイル中のメンバアクセスの行情報が消失
inode.i_uid:fs/attr.c:31,inode
&(*(*(struct inode **)inode))
シンボル情報
デバッグ情報
KLAS gcc/gas
fs/attr.c:31 0xc010ccbb
if ((ia_valid & ATTR_UID) &&
attr->ia_uid != inode->i_uid) …
goto error;
if ((ia_valid & ATTR_GID) &&8
ウィーバー: フック挿入アドレスの解決
 構造体メンバーアクセスに対応するファイル名、行番号を調査
 コンパイラの作ったデバッグ情報を用いて、ファイル名、行番号に
相当するアドレスを解決
 コンパイラの作ったシンボル情報により、ジョインポイント変数の
アクセス方法を特定
デバッグ情報
シンボル情報
…
fs/attr.c:31:inode,’(*(*struct inode **)inode)):inode.i_uid
fs/attr.c:31:attr,&(*(*(struct iattr **)attr)):iattr.ia_uid
fs/attr.c:31:inode,&(*(*struct inode **)inode)):inode.i_uid
fs/attr.c:37:inode,&(*(*(struct inode **)inode)):inode.i_uid
...
構造体メンバー
アクセス
35 2 0 4 1
“fs/attr.c”
“GNU C Compiler”
…
ファイル名
行番号
アドレス
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ウィーバー: トランポリンの作成
 トランポリンを用いてジョインポイントのコンテキストを
利用
 target、local、argsポイントカットを実現
 デバッグ情報より変数の格納位置を特定
 例) ローカル変数attrを参照
デバッグ情報
DW_AT_name: inode_change_ok
DW_AT_low_pc: 0xc017e494
DW_AT_high_pc: 0xc017e5b9
Abbrev Number: 53 (DW_TAG_formal_parameter)
DW_AT_name: attr
DW_AT_location: 1 byte block: 53 (DW_OP_reg7)
…
トランポリン
void
trampoline_c017e50b(unsigned long addr)
{
void ***ebp, *ecx;
__asm__ __volatile(“movl %%ecx, %0”:
“=r”(ecx));
…
{
void *arg0 = &(ebp[3 + (8 – 7)]);
advice(ecx, arg0);
}
}
10
ウィーバー: フックの挿入
 Kerninst [Ariel et al. ’99]を利用して動的にフック挿入
 APIを用いてフック挿入箇所のアドレス、呼び出すトランポリン
コードを指示
 APIを用いてフックが有効な位置に入っているか調査
 フックは挿入される位置の機械語長で変化
 5バイト以上: jmp命令
 4バイト以下: int3命令(ブレークポイントトラップ)
ウィーバー
OSカーネル
コンパイル済みアドバイス
Kerninst
フック
トランポリン
11
実験
 実験環境
 CPU: AMD Athlon XP 1800+、Mem: 1GB
 Fedora Core 2 Linux (2.6.10 kernel)
 GNU C Compiler 3.3.3、Kerninst 2.1
 目的
 KLASを利用した際のオーバーヘッドを測定
 KLASのフックのオーバーヘッドを測定
 UnixBenchを用いてKLAS gccでコンパイルされた
カーネルのオーバーヘッドを測定
 KLASは変数値の取得のためにフレームポインタを使用
 KLASはデバッグ情報を作成
12
実験結果
 フックのオーバーヘッド（ナノ秒）
トランポリン使用
no
register
フックの jmp
種類
int3
frame
16
18
19
200
202
203
 UnixBenchによるKLAS gccと通常gccの比較
dhry2reg
execl
pipe
context
通常
397.6
708.5
872.6
731.1
KLAS
397.2
735.4
803.8
717.8
0
-3.7
8.6
1.9
オーバーヘッド
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使用例:
ネットワーク I/Oのプロファイリング
得られたログ（生データ）
使用したアスペクト
<aspect><import>linux/skbuff.h</import>
<import>linux/netdevice.h</import>
<advice><pointcut>
access(sk_buff.%) AND target(arg0)
</pointcut>
<before>
struct sk_buff *skb =
(struct sk_buff *)arg0;
unsigned long long timestamp;
if (skb->>protocol != ETH_P_ARP) {
DO_RDTSC(timestamp);
STORE_DATA(timestamp);
STORE_DATA($pc$);
STORE_DATA(arg0);}
</before></advice></aspect>
8684196258043,
8684196258614,
8684196259462,
8684196259661,
8684196260215,
8684196260807,
…
0xc02db384,
0xc02db3a1,
0xc02db3d7,
0xc02db3e7,
0xc02db3ff,
0xc02da4da,
0xf6b03420
0xf6b03420
0xf6b03420
0xf6b03420
0xf6b03420
0xf6b03420
解析結果
関数名
e1000_rx_checksum
1000_clean_rx_irq
eth_type_trans
netif_receive_skb
netif_rx
ip_rcv
ip_rcv_finish
ip_local_deliver
ip_local_deliver_finish
tcp_v4_rcv
tcp_v4_do_rcv
tcp_rcv_established
tcp_measure_rcv_mss
tcp_event_data_recv
tcp_grow_window
tcp_rcv_established
skb_copy_datagram_iovec
__kfree_skb
ファイル名
e1000_main.c
eth.c
dev.c
dev.c
dev.c
ip_input.c
ip_input.c
ip_input.c
ip_input.c
tcp_ipv4.c
tcp_ipv4.c
tcp_input.c
tcp_input.c
tcp_input.c
tcp_input.c
tcp_input.c
datagram.c
skbuff.c
行番号
2773
2434
164
1638
1500
367
287
275
201
1741
1688
4238
140
554
268
4355
234
225
経過時間
0.00
0.34
0.47
1.06
1.68
3.43
4.83
5.56
6.02
6.84
10.83
11.14
12.46
13.36
13.68
14.23
25.93
27.14
14
関連研究:
カーネル用システム
 実行時コード挿入システム
 実行時に指定された位置にフックを挿入
 コード挿入の指定が機械語粒度で使いにくい
 Kerninst [Ariel et al. ’99]
 GILK [David et al. ’02]
 トレーサー/プロファイラー
 イベント、関数開始終了点でログ取得、コード実行
 指定するイベントの構造化が困難
 LTT [Karim et al. ’00]
 Dtrace [Bryan et al. ’04]
 SystemTAP [Vara et al. ’05]
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関連研究:
C言語用アスペクト指向システム
 静的アスペクト指向システム
 ウィーブ、アンウィーブにシステムの停止が必要
 AspectC [Yvonne et al. ’03]
 AspectC++ [Olaf et al. ’02]
 動的アスペクト指向システム
 実行時にアスペクトをウィーブ、アンウィーブ
 コンパイル時の情報を用いない
 構造体のメンバーアクセスをポイントカット不可
 μDyner [Marc et al. ’03]
 Arachne [Remi et al. ’05]
 TOSKANA [Michael et al. ’05]
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落ち穂拾い
 KLASはカーネル限定か？
 ユーザーランドの動的アスペクト指向システムにも
応用可能
 カーネルは停止の影響が大きい
 カーネルは構造体の利用が多い
 なぜプロファイリングにアスペクト指向か？
 プログラムの構造を考慮したモジュール化が可能
 構造化のための特別なコードや下準備が不要
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まとめと今後の課題

まとめ

KLASの提案







プロファイリングのコードをアスペクトとして記述
動的にウィーブ・アンウィーブが可能
構造体のメンバーをポイントカット可能
ポイントカットした箇所のコンテキストを利用可能
実験でKLASのオーバーヘッドが少ないことを確認


コンテキストを利用してもフックのオーバーヘッドは最大で200ナノ秒程度
UnixBenchにより性能が1割程度劣化する場合があることを確認した

sk_buffに基づいたネットワーク I/Oのトレース
KLASの利用例の提示
今後の課題


実装の洗練
さらなる応用例の発見
18

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