1

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

2

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

カーネル内にボトルネック？ 疑わしい場所は無数に存在

writeip

_out

put

tcp_o

utpu

t

ether

_out

put

sose

ndpr

_out

put

if_output

pr_s

lowtim

eo

tcp_s

lowtim

eo

m_c

opyd

atam

_cop

y

tcp_u

srreq

sbap

pend

copy

in

socket TCP IP datalink

カーネルプロファイラが必

要プロファイル

3

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

4

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

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

tcp_output(…) { struct mbuf *m; m->m_len = hdrlen; …} アドレス情報はバイナリに欠

如

struct mbuf { struct m_hdr m_hdr; …}#define m_len m_hdr.m_len

5

KLAS (Kernel Level Aspect-oriented System)

Source-based binary-level dynamic weaving カーネル用アスペクト指向システム

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

動的にコード挿入 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

6

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

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

fo_read(…){ return ((*fp->f_ops->fo_read(…));}

tcp_input(…){ … m->m_len += hdrlen; m->m_data -= hdrlen; ….}

7

KLAS の文法<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>

m_len へのアクセスをポイントカッ

トとして抽出

ポイントカット位置で時間を表示

8

KLAS の文法<aspect name=“log_reset_len”> <pointcut> <field name=“m_len” structure=“mbuf” /> </pointcut> <advice> struct timespec ts; nanotime(&ts); printf(…); </advice></aspect>

m_len へのアクセスをポイントカッ

トとして抽出

tcp_output(…) { struct mbuf *m; struct timespec ts; ….. printf(…) m->m_len = hdrlen; …

挿入

9

実装の概要

シンボル情報

アスペクト（ XML ）

OS ソースコード

アドレスリゾルバ

コンパイル済アドバイス

フック挿入

OS カーネル

(FreeBSD)

KLAS

アドバイスローダ

KLAS_gcc

シンボル情報抽出

コンパイル

フック

10

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. ファイル名、行番号、構造体名、メンバ名を出力

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 …}

/usr/…/ip_output.c:879:mbuf.m_pkthdr

シンボル情報

ハッシュ表1

２

3

KLAS_gcc

11

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

352041“ip_output.c”“GNU C Compiler”“frodo:/usr/src/sys/…”…

debug_info…/usr/…put.c:175:ip.ip_v/usr/…put.c:176:ip.ip_hl…/usr/…257:mbuf.m_flags

拡張シンボル情報

対応するファイル名、行 アドレス

構造体名メンバ名

12

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

struct timespec ts;nanotime(&ts);printf(… ts.tv_nsec);

}DECLARE_MODULE(…ANY);

#include <sys/types.h>#include <sys/module.h>…static int log_mbuf_loader(…) {…}int log_mbuf(….) {

コンパイル済みアドバイス（カーネルモジュール）

OS カーネル

ヘッダ

アドバイス

フッタ

コン

パイ

ル

ロード (kldload)

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BPT

フック挿入

アドレスマップコンパイル済みアドバイス

２．アドレスマップに登録

３． BPT 挿入

１．アドバイスのアドレスを取得

14

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

フック挿入

アドレスマップコンパイル済みアドバイス

トラップ処理ルーチン

１．処理が遷移

２．対応アドバイスの確認

３．アドバイスを実行

15

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 KLAS_gcc 、 gcc のカーネルコンパイル時間を比較

実験環境 CPU: AMD Athlon 2200+, Mem: 1GB, HDD: UDMA133

実験結果総実行時間

（秒）User System

gcc 294.25 211.72 79.54

KLAS_gcc 527.86 223.06 301.07System 時間が大きいI/Oオーバーヘッドが原因 ?

16

実験 II: フック数と実行時間 目的

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

実験結果

非線形に増加線形リストによる実装が原因

？

17

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

18

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

19

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

20

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

21

今後の課題 コンパイラ性能の改善

バッファリングによる I/Oオーバーヘッドの軽減

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 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

22

23

24

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 プロファイリングが進むと測定範囲を縮小

時間測定のコードを指定可能 ログを取得するため

C言語に対応 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 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

25

OS カーネル

(FreeBSD)

実装の概要アスペクト（ XML ）

KLASアスペクトローダ

アドレスリゾルバ

フック挿入

シンボル情報

OS カーネルソースコード

KLAS_gcc

シンボル情報抽出コンパイル

アスペクトをコンパイル

コンパイル済みアスペクト

26

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 …}

ハッシュ表

1. ハッシュ表に構造体名、 ID を保存

3. ファイル名、行番号、構造体名、メンバ名を出力

2.ID をキーにして構造体名を取得

/usr/…/ip_output.c:879:m0.m_pkthdr

シンボル情報