os カーネル用アスペクト指向システム klasy

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OS カーネル用アスペクト指向システム KLASY

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　数理・計算科学専攻

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プロファイリングコードを実行中のカーネルに挿入するには？目的 : 任意の点でタイムスタンプをロギング

性能チューニングのため例 ) パケット到達からカーネルバッファにいたる

までの経過時間を調査

既存の方法カーネルプロファイラを利用 ?

決まった点でしかログを取得できないカーネルソースコードを変更し、再コンパイル ?

面倒くさくて、ミスしがち

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プロファイリングコード

int inode_change_ok(…){ … if ((ia_valid & ATTR_UID) && … attr->ia_uid != inode->i_uid) … goto error;

if ((ia_valid & ATTR_GID) && …}

Linux カーネルソースコード (fs/attr.c)

struct timeval tv;do_gettimeofday(&tv) ;print_tv(tv);printk(“%ld”, inode->i_uid);

挿入プロファイリングコード

ソースコードの指定した行にて変数の値とタイムスタンプを記録

再コンパイル、再起動無しでプロファイリングしたい

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kmgr.findModule(“kernel”, &kmod);kmod.findFuction(“inode_change_ok”, &ifunc);ifunc.findEntryPoint(&entries);kmgr.findModule(“profiler”, &kmod);kmod.findFunction(“print_log”, &pf);hook = kapi_call_expr(pf.getEntryAddr(), args);kmgr.insertSnippet(hook, entries[0]);

Kerninst [Tamches et al. ’99]

実行時コード操作ツールアセンブリレベルの抽象度開発者は次のアドレスの調査が必要 :

コードを挿入する機械語のアドレス記録する変数が格納された場所のアドレス

void print_log() { … __asm__ (“movl %%ebp, %0” : “=r”(ebp)); uid = ((struct inode*)ebp[11])->i_uid; /* ebp[11] is inode */ …

サンプルコード : Kerninst を用いてログを取得

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KLASY

Kernel-level Aspect-Oriented System ソースコードレベルの抽象度

アスペクト指向プログラミング (AOP) を用いた利点 KLASY により開発者は :

ソースコードレベルの視点で任意の実行点を選択可能ポイントカット

C 言語でプロファイリングコードを記述可能アドバイス

選択された点で実行されるコード実行点で利用可能な変数にアクセス可能

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ロギング

AOP のキラーアプリケーションロギング (or プロファイリング ) コードは独立し

た別個のモジュールに分離なぜ新しい AOP システムが必要か ?

既存の C 言語用動的 AOP システムの問題実行時コンテキストの取得が不可能 : 変数アクセスがで

きない構造体メンバーアクセスのポイントカットが不可能

たとえば、 inode->i_uid がアップデートされたときのタイムスタンプを調査不可能プロファイリングに不可欠

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KLASY のアスペクト例

<aspect> <import>linux/time.h</import> <advice><pointcut> access(inode.i_uid) AND within_function(inode_change_ok) AND target(inode_value) </pointcut> <before> struct inode *i = inode_value; struct timeval tv; do_gettimeofday(&tv); print(i->i_uid, tv.tv_sec, tv.tv_usec); </before> </advice></aspect>

pointcut

advice



選択

Linux カーネルコード (fs/attr.c)アスペクト

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pointcut

advice



選択

Linux カーネルコード (fs/attr.c)アスペクトアドバイスボディで使うヘッダーファイルを指定

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pointcut

advice



選択


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pointcut

advice



選択


access(inode.i_uid) ポイントカットで

inode->i_uid を選択

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pointcut

advice



選択


within_function() により選択範囲を inode_change_ok 関数内に制

限。

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pointcut

advice



選択


実行時コンテキスト取得 :

inode_value に選択した構造体 (inode) への参

照を設定

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pointcut

advice



選択


タイムスタンプを取得し、 i_uid の値とと

もに保存

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KLASY の対応する主なポイントカット、アドバイスポイントカット

access 本研究で提案構造体メンバーアクセスを選択

execution 関数実行を選択

アドバイス before

選択された点の前でプロファイリングコードを実行 after

選択された点の後でプロファイリングコードを実行

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実行時コンテキストの取得に使うポイントカットポイントカット記述子

target access ポイントカットで選択したメンバーを持つ構造体変

数への参照を取得 local_var

access ポイントカットで選択した箇所でローカル変数への参照を取得

argument execution ポイントカットで選択した関数の引数への

参照を取得

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KLASY の実装

Source-based binary-level dynamic weaving GNU C コンパイラ (gcc) を拡張

生成した拡張シンボル情報を用い : 構造体メンバーへのアクセスをポイントカット可能実行時コンテキスト ( 変数のアドレス ) を取得可能

Kerninst をバックエンドに利用動的織り込みを実現

C 言語でアドバイスを記述ソースレベルの視点で記述可能 XML 風のタグで囲まれている

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処理の流れ

コンパイル済みアドバイス

アスペクト OSソースコード

ポイントカット

拡張シンボル情報

ウィーバーOS カーネ

ル本体フック

OS カーネル

アスペクトコンパイラー KLASYgcc

insmod

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処理の流れ






ル本体フック

OS カーネル


insmod

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KLASY gcc

KLASY gcc は次のシンボル情報を収集 : 構造体メンバーアクセスのあるファイル名、行

番号コンパイラーのパーザーを拡張従来の gcc ではこの情報は消失

各行の先頭命令のあるアドレスコンパイル時にデバッグオプション (-g) を利用構造体メンバーアクセスのポイントカットにこれも必

要

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処理の流れ






ル本体フック

OS カーネル


insmod

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ウィーバー

Kerninst を用いポイントカットで選択した点にフック挿入

フックアドバイスボディを呼び出すためのコード

フック挿入アドレスの取得方法構造体メンバーアクセス

ファイル名、行番号行の先頭アドレス

拡張シンボル情報を利用

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アンウィーブ

KLASY では実行時に OS カーネルから織り込んだアスペクトを削除可能プロファイリングには重要な機能

一般に利用者は様々なアスペクトを試用観察効果を避けるため不要なアスペクトの削除は必要

利用者はわかりやすい名前でアスペクトを指定可能

Kerninst を用いてウィーバーの入れたフックを消去

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アスペクト例における実行時コンテキストの取得



アドバイス



selected

Linux カーネルソースコード (fs/attr.c)アスペクト

ローカル変数を取得し、アドバイス内で利用

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実行時コンテキストの取得の実装

ウィーバーと KLASY gcc の連携により実現 KLASY gcc にて構造体への参照方法を保存

ローカル変数から目的の構造体への参照に至る方法を保存例 )

inode.length → &inodeinode_ptr->length → inode_ptr

ウィーバーにて参照を得るトランポリンコードを作成ローカル変数の格納場所をデバッグ情報をから取得

Gcc の作成したデバッグ情報を利用保存された方法で構造体への参照を得、アドバイスに渡す

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ケーススタディ : ネットワーク I/O サブシステムの調査目的

過負荷における Linux ネットワークサブシステムの性能ボトルネックを発見

Sk_buff 構造体へのアクセスをトレース Sk_buff 構造体は Linux にてネットワークサブシス

テムでバッファとして利用 Sk_buff のトレースによりネットワークサブシステムの挙

動を把握 KLASY の実行時コンテキスト取得機能を利用

個々のパケットを識別するため無関係なパケットを無視するため

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トレースに用いたアスペクト

<aspect><advice> <pointcut> access(sk_buff.%) AND target(arg0) </pointcut> <before> struct sk_buff *skb = arg0; unsigned long timestamp; if (skb->protocol != ETH_P_ARP) { STORE_DATA($pc$); STORE_DATA(skb); DO_RDTSC(timestamp); STORE_DATA(timestamp); } </before></advice></aspect>

ARP パケットを無視プログラムカウンタ、sk_buff 出現位置、タイムスタンプを保存

ワイルドカード

skb->protocol

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トレース結果

プロセススケジューリングがボトルネックと判明 Skb_copy_datagram_iovec 関数はプロセスの発行し

たシステムコールから呼び出されるのでTime scale of packet arrival

0.1 1 10 100 1000Elapsed time

差が大きい

skb_copy_datagram_iovec

1000_clean_rx_irq

netif_receive_skbip_rcv

ip_rcv_finish tcp_v4_do_rcv

tcp_v4_rcv tcp_rcv_established

__kfree_skb

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ケーススタディでのaccess ポイントカットの有用性 Sk_buff 構造体の全メンバーを access ポイント

カット Linux ネットワークサブシステムの挙動を把握

もし、 execution ポイントカットでやるとしたら… ネットワークサブシステムについての詳細な知識が必要

過不足なく関数を選択するため本ケーススタディでは 76 箇所 ( 関数 21 個 ) にてログ取得

最適化禁止が必須 Inline 関数への対応が必要

現実と大幅に異なる OS カーネルは通常最適化オプションつきでコンパイルされる例 ) Linux カーネルは -Os最適化オプションでコンパイル

本ケーススタディでは static inline 関数 6 箇所にてログ取得

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KLASY の有用性（まとめ）

構造体メンバーアクセスをポイントカット構造体メンバーアクセスは大規模 C プログラムで

使用関数間でのデータの受け渡しに利用ポリモルフィズムの実現に利用

メンバーに関数へのポインターを保持例 ) 仮想ファイルシステム (VFS) 、仮想デバイスなど

例 ) OS kernel (FreeBSD, Linux), X window System

実行時コンテキストの取得実行時コンテキストがあると…

詳細な調査が可能必要なデータのみのログ出力が可能

ログ保存領域を節約

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既存のC 言語用動的アスペクト指向システム TOSKANA [Engel ’05], DAC++ [Almajali ’05],

TinyC2 [Zhang ’03],and Arachne [Douence ’05] 実行時コード操作関数実行、呼び出しのみポイントカット可能

シンボル情報を不使用 TOSKANA-VM [Engel ’05]

仮想機械上で OS カーネルを実行実際のハードウェア上のプロファイリングは不

可能

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実験

UnixBench によるベンチマーク Linux: 通常 gcc でコンパイルしたカーネル

-fomit-frame-pointer オプションあり KLASY: KLASY gcc でコンパイルしたカーネル

実行時コンテキスト取得のため、 -fomit-frame-pointer オプション使用不可デバッグ情報の示す変数位置と実位置がずれるため

ほぼ -fomit-frame-pointer禁止によるオーバーヘッドを測定実験環境

CPU: AthlonXP™ 1800+, Mem: 1GB, Linux 2.6.10

Kerninst 2.1.1, gcc 3.3.3, Intel Ethernet PRO/1000

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実験結果

現実的なオーバーヘッドであることを確認オーバーヘッド :

0 ～ 12 % 平均 : 4.4 %

dhry2reg: drystonesyscall: システムコールpipe: pipe システムコールexecl: execl システムコールcontext: コンテキストスイッチ

0200400600800

1000

dhry2

reg

sysc

allpip

eex

ecl

conte

xt

Linux KLASY

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関連研究

C 言語用静的アスペクト指向システム実行中のカーネルを変更可能プロファイリングコードの変更に再起動が必要

例 ) AspectC [Coady ’01], AspectC++ [Spinczyk ’02]

カーネルプロファイラー LKST 、 DTrace [Cantrill ’04] 、 SystemTAP [Prasad ’05] 、

LTT [Yaghmour ’00] カーネル内で発生したイベントについてログを取得するツー

ルプロファイラー開発者の設定した箇所でのみプロファイリン

グ可能

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まとめ

KLASY (Kernel-level Aspect-oriented System)を提案 Source-based binary-level dynamic weaving

構造体メンバーへのアクセスをポイントカットで選択可能

実行時コンテキストを取得可能

ネットワーク I/O サブシステムのプロファイリングに KLASY が有用であると確認性能ボトルネックがプロセススケジューリングにあると

判明

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