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1 Title   : Kernel Probes (Kprobes)
2 Authors : Jim Keniston <jkenisto@us.ibm.com>
3         : Prasanna S Panchamukhi <prasanna@in.ibm.com>
5 CONTENTS
7 1. Concepts: Kprobes, Jprobes, Return Probes
8 2. Architectures Supported
9 3. Configuring Kprobes
10 4. API Reference
11 5. Kprobes Features and Limitations
12 6. Probe Overhead
13 7. TODO
14 8. Kprobes Example
15 9. Jprobes Example
16 10. Kretprobes Example
17 Appendix A: The kprobes debugfs interface
19 1. Concepts: Kprobes, Jprobes, Return Probes
21 Kprobes enables you to dynamically break into any kernel routine and
22 collect debugging and performance information non-disruptively. You
23 can trap at almost any kernel code address, specifying a handler
24 routine to be invoked when the breakpoint is hit.
26 There are currently three types of probes: kprobes, jprobes, and
27 kretprobes (also called return probes).  A kprobe can be inserted
28 on virtually any instruction in the kernel.  A jprobe is inserted at
29 the entry to a kernel function, and provides convenient access to the
30 function's arguments.  A return probe fires when a specified function
31 returns.
33 In the typical case, Kprobes-based instrumentation is packaged as
34 a kernel module.  The module's init function installs ("registers")
35 one or more probes, and the exit function unregisters them.  A
36 registration function such as register_kprobe() specifies where
37 the probe is to be inserted and what handler is to be called when
38 the probe is hit.
40 The next three subsections explain how the different types of
41 probes work.  They explain certain things that you'll need to
42 know in order to make the best use of Kprobes -- e.g., the
43 difference between a pre_handler and a post_handler, and how
44 to use the maxactive and nmissed fields of a kretprobe.  But
45 if you're in a hurry to start using Kprobes, you can skip ahead
46 to section 2.
48 1.1 How Does a Kprobe Work?
50 When a kprobe is registered, Kprobes makes a copy of the probed
51 instruction and replaces the first byte(s) of the probed instruction
52 with a breakpoint instruction (e.g., int3 on i386 and x86_64).
54 When a CPU hits the breakpoint instruction, a trap occurs, the CPU's
55 registers are saved, and control passes to Kprobes via the
56 notifier_call_chain mechanism.  Kprobes executes the "pre_handler"
57 associated with the kprobe, passing the handler the addresses of the
58 kprobe struct and the saved registers.
60 Next, Kprobes single-steps its copy of the probed instruction.
61 (It would be simpler to single-step the actual instruction in place,
62 but then Kprobes would have to temporarily remove the breakpoint
63 instruction.  This would open a small time window when another CPU
64 could sail right past the probepoint.)
66 After the instruction is single-stepped, Kprobes executes the
67 "post_handler," if any, that is associated with the kprobe.
68 Execution then continues with the instruction following the probepoint.
70 1.2 How Does a Jprobe Work?
72 A jprobe is implemented using a kprobe that is placed on a function's
73 entry point.  It employs a simple mirroring principle to allow
74 seamless access to the probed function's arguments.  The jprobe
75 handler routine should have the same signature (arg list and return
76 type) as the function being probed, and must always end by calling
77 the Kprobes function jprobe_return().
79 Here's how it works.  When the probe is hit, Kprobes makes a copy of
80 the saved registers and a generous portion of the stack (see below).
81 Kprobes then points the saved instruction pointer at the jprobe's
82 handler routine, and returns from the trap.  As a result, control
83 passes to the handler, which is presented with the same register and
84 stack contents as the probed function.  When it is done, the handler
85 calls jprobe_return(), which traps again to restore the original stack
86 contents and processor state and switch to the probed function.
88 By convention, the callee owns its arguments, so gcc may produce code
89 that unexpectedly modifies that portion of the stack.  This is why
90 Kprobes saves a copy of the stack and restores it after the jprobe
91 handler has run.  Up to MAX_STACK_SIZE bytes are copied -- e.g.,
92 64 bytes on i386.
94 Note that the probed function's args may be passed on the stack
95 or in registers (e.g., for x86_64 or for an i386 fastcall function).
96 The jprobe will work in either case, so long as the handler's
97 prototype matches that of the probed function.
99 1.3 How Does a Return Probe Work?
101 When you call register_kretprobe(), Kprobes establishes a kprobe at
102 the entry to the function.  When the probed function is called and this
103 probe is hit, Kprobes saves a copy of the return address, and replaces
104 the return address with the address of a "trampoline."  The trampoline
105 is an arbitrary piece of code -- typically just a nop instruction.
106 At boot time, Kprobes registers a kprobe at the trampoline.
108 When the probed function executes its return instruction, control
109 passes to the trampoline and that probe is hit.  Kprobes' trampoline
110 handler calls the user-specified handler associated with the kretprobe,
111 then sets the saved instruction pointer to the saved return address,
112 and that's where execution resumes upon return from the trap.
114 While the probed function is executing, its return address is
115 stored in an object of type kretprobe_instance.  Before calling
116 register_kretprobe(), the user sets the maxactive field of the
117 kretprobe struct to specify how many instances of the specified
118 function can be probed simultaneously.  register_kretprobe()
119 pre-allocates the indicated number of kretprobe_instance objects.
121 For example, if the function is non-recursive and is called with a
122 spinlock held, maxactive = 1 should be enough.  If the function is
123 non-recursive and can never relinquish the CPU (e.g., via a semaphore
124 or preemption), NR_CPUS should be enough.  If maxactive <= 0, it is
125 set to a default value.  If CONFIG_PREEMPT is enabled, the default
126 is max(10, 2*NR_CPUS).  Otherwise, the default is NR_CPUS.
128 It's not a disaster if you set maxactive too low; you'll just miss
129 some probes.  In the kretprobe struct, the nmissed field is set to
130 zero when the return probe is registered, and is incremented every
131 time the probed function is entered but there is no kretprobe_instance
132 object available for establishing the return probe.
134 2. Architectures Supported
136 Kprobes, jprobes, and return probes are implemented on the following
137 architectures:
139 - i386
140 - x86_64 (AMD-64, EM64T)
141 - ppc64
142 - ia64 (Does not support probes on instruction slot1.)
143 - sparc64 (Return probes not yet implemented.)
145 3. Configuring Kprobes
147 When configuring the kernel using make menuconfig/xconfig/oldconfig,
148 ensure that CONFIG_KPROBES is set to "y".  Under "Instrumentation
149 Support", look for "Kprobes".
151 So that you can load and unload Kprobes-based instrumentation modules,
152 make sure "Loadable module support" (CONFIG_MODULES) and "Module
153 unloading" (CONFIG_MODULE_UNLOAD) are set to "y".
155 Also make sure that CONFIG_KALLSYMS and perhaps even CONFIG_KALLSYMS_ALL
156 are set to "y", since kallsyms_lookup_name() is used by the in-kernel
157 kprobe address resolution code.
159 If you need to insert a probe in the middle of a function, you may find
160 it useful to "Compile the kernel with debug info" (CONFIG_DEBUG_INFO),
161 so you can use "objdump -d -l vmlinux" to see the source-to-object
162 code mapping.
164 4. API Reference
166 The Kprobes API includes a "register" function and an "unregister"
167 function for each type of probe.  Here are terse, mini-man-page
168 specifications for these functions and the associated probe handlers
169 that you'll write.  See the latter half of this document for examples.
171 4.1 register_kprobe
173 #include <linux/kprobes.h>
174 int register_kprobe(struct kprobe *kp);
176 Sets a breakpoint at the address kp->addr.  When the breakpoint is
177 hit, Kprobes calls kp->pre_handler.  After the probed instruction
178 is single-stepped, Kprobe calls kp->post_handler.  If a fault
179 occurs during execution of kp->pre_handler or kp->post_handler,
180 or during single-stepping of the probed instruction, Kprobes calls
181 kp->fault_handler.  Any or all handlers can be NULL.
183 NOTE:
184 1. With the introduction of the "symbol_name" field to struct kprobe,
185 the probepoint address resolution will now be taken care of by the kernel.
186 The following will now work:
188         kp.symbol_name = "symbol_name";
190 (64-bit powerpc intricacies such as function descriptors are handled
191 transparently)
193 2. Use the "offset" field of struct kprobe if the offset into the symbol
194 to install a probepoint is known. This field is used to calculate the
195 probepoint.
197 3. Specify either the kprobe "symbol_name" OR the "addr". If both are
198 specified, kprobe registration will fail with -EINVAL.
200 4. With CISC architectures (such as i386 and x86_64), the kprobes code
201 does not validate if the kprobe.addr is at an instruction boundary.
202 Use "offset" with caution.
204 register_kprobe() returns 0 on success, or a negative errno otherwise.
206 User's pre-handler (kp->pre_handler):
207 #include <linux/kprobes.h>
208 #include <linux/ptrace.h>
209 int pre_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs);
211 Called with p pointing to the kprobe associated with the breakpoint,
212 and regs pointing to the struct containing the registers saved when
213 the breakpoint was hit.  Return 0 here unless you're a Kprobes geek.
215 User's post-handler (kp->post_handler):
216 #include <linux/kprobes.h>
217 #include <linux/ptrace.h>
218 void post_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs,
219         unsigned long flags);
221 p and regs are as described for the pre_handler.  flags always seems
222 to be zero.
224 User's fault-handler (kp->fault_handler):
225 #include <linux/kprobes.h>
226 #include <linux/ptrace.h>
227 int fault_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, int trapnr);
229 p and regs are as described for the pre_handler.  trapnr is the
230 architecture-specific trap number associated with the fault (e.g.,
231 on i386, 13 for a general protection fault or 14 for a page fault).
232 Returns 1 if it successfully handled the exception.
234 4.2 register_jprobe
236 #include <linux/kprobes.h>
237 int register_jprobe(struct jprobe *jp)
239 Sets a breakpoint at the address jp->kp.addr, which must be the address
240 of the first instruction of a function.  When the breakpoint is hit,
241 Kprobes runs the handler whose address is jp->entry.
243 The handler should have the same arg list and return type as the probed
244 function; and just before it returns, it must call jprobe_return().
245 (The handler never actually returns, since jprobe_return() returns
246 control to Kprobes.)  If the probed function is declared asmlinkage,
247 fastcall, or anything else that affects how args are passed, the
248 handler's declaration must match.
250 NOTE: A macro JPROBE_ENTRY is provided to handle architecture-specific
251 aliasing of jp->entry. In the interest of portability, it is advised
252 to use:
254         jp->entry = JPROBE_ENTRY(handler);
256 register_jprobe() returns 0 on success, or a negative errno otherwise.
258 4.3 register_kretprobe
260 #include <linux/kprobes.h>
261 int register_kretprobe(struct kretprobe *rp);
263 Establishes a return probe for the function whose address is
264 rp->kp.addr.  When that function returns, Kprobes calls rp->handler.
265 You must set rp->maxactive appropriately before you call
266 register_kretprobe(); see "How Does a Return Probe Work?" for details.
268 register_kretprobe() returns 0 on success, or a negative errno
269 otherwise.
271 User's return-probe handler (rp->handler):
272 #include <linux/kprobes.h>
273 #include <linux/ptrace.h>
274 int kretprobe_handler(struct kretprobe_instance *ri, struct pt_regs *regs);
276 regs is as described for kprobe.pre_handler.  ri points to the
277 kretprobe_instance object, of which the following fields may be
278 of interest:
279 - ret_addr: the return address
280 - rp: points to the corresponding kretprobe object
281 - task: points to the corresponding task struct
283 The regs_return_value(regs) macro provides a simple abstraction to
284 extract the return value from the appropriate register as defined by
285 the architecture's ABI.
287 The handler's return value is currently ignored.
289 4.4 unregister_*probe
291 #include <linux/kprobes.h>
292 void unregister_kprobe(struct kprobe *kp);
293 void unregister_jprobe(struct jprobe *jp);
294 void unregister_kretprobe(struct kretprobe *rp);
296 Removes the specified probe.  The unregister function can be called
297 at any time after the probe has been registered.
299 5. Kprobes Features and Limitations
301 Kprobes allows multiple probes at the same address.  Currently,
302 however, there cannot be multiple jprobes on the same function at
303 the same time.
305 In general, you can install a probe anywhere in the kernel.
306 In particular, you can probe interrupt handlers.  Known exceptions
307 are discussed in this section.
309 The register_*probe functions will return -EINVAL if you attempt
310 to install a probe in the code that implements Kprobes (mostly
311 kernel/kprobes.c and arch/*/kernel/kprobes.c, but also functions such
312 as do_page_fault and notifier_call_chain).
314 If you install a probe in an inline-able function, Kprobes makes
315 no attempt to chase down all inline instances of the function and
316 install probes there.  gcc may inline a function without being asked,
317 so keep this in mind if you're not seeing the probe hits you expect.
319 A probe handler can modify the environment of the probed function
320 -- e.g., by modifying kernel data structures, or by modifying the
321 contents of the pt_regs struct (which are restored to the registers
322 upon return from the breakpoint).  So Kprobes can be used, for example,
323 to install a bug fix or to inject faults for testing.  Kprobes, of
324 course, has no way to distinguish the deliberately injected faults
325 from the accidental ones.  Don't drink and probe.
327 Kprobes makes no attempt to prevent probe handlers from stepping on
328 each other -- e.g., probing printk() and then calling printk() from a
329 probe handler.  If a probe handler hits a probe, that second probe's
330 handlers won't be run in that instance, and the kprobe.nmissed member
331 of the second probe will be incremented.
333 As of Linux v2.6.15-rc1, multiple handlers (or multiple instances of
334 the same handler) may run concurrently on different CPUs.
336 Kprobes does not use mutexes or allocate memory except during
337 registration and unregistration.
339 Probe handlers are run with preemption disabled.  Depending on the
340 architecture, handlers may also run with interrupts disabled.  In any
341 case, your handler should not yield the CPU (e.g., by attempting to
342 acquire a semaphore).
344 Since a return probe is implemented by replacing the return
345 address with the trampoline's address, stack backtraces and calls
346 to __builtin_return_address() will typically yield the trampoline's
347 address instead of the real return address for kretprobed functions.
348 (As far as we can tell, __builtin_return_address() is used only
349 for instrumentation and error reporting.)
351 If the number of times a function is called does not match the number
352 of times it returns, registering a return probe on that function may
353 produce undesirable results. In such a case, a line:
354 kretprobe BUG!: Processing kretprobe d000000000041aa8 @ c00000000004f48c
355 gets printed. With this information, one will be able to correlate the
356 exact instance of the kretprobe that caused the problem. We have the
357 do_exit() case covered. do_execve() and do_fork() are not an issue.
358 We're unaware of other specific cases where this could be a problem.
360 If, upon entry to or exit from a function, the CPU is running on
361 a stack other than that of the current task, registering a return
362 probe on that function may produce undesirable results.  For this
363 reason, Kprobes doesn't support return probes (or kprobes or jprobes)
364 on the x86_64 version of __switch_to(); the registration functions
365 return -EINVAL.
367 6. Probe Overhead
369 On a typical CPU in use in 2005, a kprobe hit takes 0.5 to 1.0
370 microseconds to process.  Specifically, a benchmark that hits the same
371 probepoint repeatedly, firing a simple handler each time, reports 1-2
372 million hits per second, depending on the architecture.  A jprobe or
373 return-probe hit typically takes 50-75% longer than a kprobe hit.
374 When you have a return probe set on a function, adding a kprobe at
375 the entry to that function adds essentially no overhead.
377 Here are sample overhead figures (in usec) for different architectures.
378 k = kprobe; j = jprobe; r = return probe; kr = kprobe + return probe
379 on same function; jr = jprobe + return probe on same function
381 i386: Intel Pentium M, 1495 MHz, 2957.31 bogomips
382 k = 0.57 usec; j = 1.00; r = 0.92; kr = 0.99; jr = 1.40
384 x86_64: AMD Opteron 246, 1994 MHz, 3971.48 bogomips
385 k = 0.49 usec; j = 0.76; r = 0.80; kr = 0.82; jr = 1.07
387 ppc64: POWER5 (gr), 1656 MHz (SMT disabled, 1 virtual CPU per physical CPU)
388 k = 0.77 usec; j = 1.31; r = 1.26; kr = 1.45; jr = 1.99
390 7. TODO
392 a. SystemTap (http://sourceware.org/systemtap): Provides a simplified
393 programming interface for probe-based instrumentation.  Try it out.
394 b. Kernel return probes for sparc64.
395 c. Support for other architectures.
396 d. User-space probes.
397 e. Watchpoint probes (which fire on data references).
399 8. Kprobes Example
401 Here's a sample kernel module showing the use of kprobes to dump a
402 stack trace and selected i386 registers when do_fork() is called.
403 ----- cut here -----
404 /*kprobe_example.c*/
405 #include <linux/kernel.h>
406 #include <linux/module.h>
407 #include <linux/kprobes.h>
408 #include <linux/sched.h>
410 /*For each probe you need to allocate a kprobe structure*/
411 static struct kprobe kp;
413 /*kprobe pre_handler: called just before the probed instruction is executed*/
414 int handler_pre(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs)
416         printk("pre_handler: p->addr=0x%p, eip=%lx, eflags=0x%lx\n",
417                 p->addr, regs->eip, regs->eflags);
418         dump_stack();
419         return 0;
422 /*kprobe post_handler: called after the probed instruction is executed*/
423 void handler_post(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, unsigned long flags)
425         printk("post_handler: p->addr=0x%p, eflags=0x%lx\n",
426                 p->addr, regs->eflags);
429 /* fault_handler: this is called if an exception is generated for any
430  * instruction within the pre- or post-handler, or when Kprobes
431  * single-steps the probed instruction.
432  */
433 int handler_fault(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, int trapnr)
435         printk("fault_handler: p->addr=0x%p, trap #%dn",
436                 p->addr, trapnr);
437         /* Return 0 because we don't handle the fault. */
438         return 0;
441 static int __init kprobe_init(void)
443         int ret;
444         kp.pre_handler = handler_pre;
445         kp.post_handler = handler_post;
446         kp.fault_handler = handler_fault;
447         kp.symbol_name = "do_fork";
449         ret = register_kprobe(&kp);
450         if (ret < 0) {
451                 printk("register_kprobe failed, returned %d\n", ret);
452                 return ret;
453         }
454         printk("kprobe registered\n");
455         return 0;
458 static void __exit kprobe_exit(void)
460         unregister_kprobe(&kp);
461         printk("kprobe unregistered\n");
464 module_init(kprobe_init)
465 module_exit(kprobe_exit)
466 MODULE_LICENSE("GPL");
467 ----- cut here -----
469 You can build the kernel module, kprobe-example.ko, using the following
470 Makefile:
471 ----- cut here -----
472 obj-m := kprobe-example.o
473 KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
474 PWD := $(shell pwd)
475 default:
476         $(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD) modules
477 clean:
478         rm -f *.mod.c *.ko *.o
479 ----- cut here -----
481 $ make
482 $ su -
484 # insmod kprobe-example.ko
486 You will see the trace data in /var/log/messages and on the console
487 whenever do_fork() is invoked to create a new process.
489 9. Jprobes Example
491 Here's a sample kernel module showing the use of jprobes to dump
492 the arguments of do_fork().
493 ----- cut here -----
494 /*jprobe-example.c */
495 #include <linux/kernel.h>
496 #include <linux/module.h>
497 #include <linux/fs.h>
498 #include <linux/uio.h>
499 #include <linux/kprobes.h>
502  * Jumper probe for do_fork.
503  * Mirror principle enables access to arguments of the probed routine
504  * from the probe handler.
505  */
507 /* Proxy routine having the same arguments as actual do_fork() routine */
508 long jdo_fork(unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start,
509               struct pt_regs *regs, unsigned long stack_size,
510               int __user * parent_tidptr, int __user * child_tidptr)
512         printk("jprobe: clone_flags=0x%lx, stack_size=0x%lx, regs=0x%p\n",
513                clone_flags, stack_size, regs);
514         /* Always end with a call to jprobe_return(). */
515         jprobe_return();
516         /*NOTREACHED*/
517         return 0;
520 static struct jprobe my_jprobe = {
521         .entry = JPROBE_ENTRY(jdo_fork)
524 static int __init jprobe_init(void)
526         int ret;
527         my_jprobe.kp.symbol_name = "do_fork";
529         if ((ret = register_jprobe(&my_jprobe)) <0) {
530                 printk("register_jprobe failed, returned %d\n", ret);
531                 return -1;
532         }
533         printk("Planted jprobe at %p, handler addr %p\n",
534                my_jprobe.kp.addr, my_jprobe.entry);
535         return 0;
538 static void __exit jprobe_exit(void)
540         unregister_jprobe(&my_jprobe);
541         printk("jprobe unregistered\n");
544 module_init(jprobe_init)
545 module_exit(jprobe_exit)
546 MODULE_LICENSE("GPL");
547 ----- cut here -----
549 Build and insert the kernel module as shown in the above kprobe
550 example.  You will see the trace data in /var/log/messages and on
551 the console whenever do_fork() is invoked to create a new process.
552 (Some messages may be suppressed if syslogd is configured to
553 eliminate duplicate messages.)
555 10. Kretprobes Example
557 Here's a sample kernel module showing the use of return probes to
558 report failed calls to sys_open().
559 ----- cut here -----
560 /*kretprobe-example.c*/
561 #include <linux/kernel.h>
562 #include <linux/module.h>
563 #include <linux/kprobes.h>
565 static const char *probed_func = "sys_open";
567 /* Return-probe handler: If the probed function fails, log the return value. */
568 static int ret_handler(struct kretprobe_instance *ri, struct pt_regs *regs)
570         int retval = regs_return_value(regs);
571         if (retval < 0) {
572                 printk("%s returns %d\n", probed_func, retval);
573         }
574         return 0;
577 static struct kretprobe my_kretprobe = {
578         .handler = ret_handler,
579         /* Probe up to 20 instances concurrently. */
580         .maxactive = 20
583 static int __init kretprobe_init(void)
585         int ret;
586         my_kretprobe.kp.symbol_name = (char *)probed_func;
588         if ((ret = register_kretprobe(&my_kretprobe)) < 0) {
589                 printk("register_kretprobe failed, returned %d\n", ret);
590                 return -1;
591         }
592         printk("Planted return probe at %p\n", my_kretprobe.kp.addr);
593         return 0;
596 static void __exit kretprobe_exit(void)
598         unregister_kretprobe(&my_kretprobe);
599         printk("kretprobe unregistered\n");
600         /* nmissed > 0 suggests that maxactive was set too low. */
601         printk("Missed probing %d instances of %s\n",
602                 my_kretprobe.nmissed, probed_func);
605 module_init(kretprobe_init)
606 module_exit(kretprobe_exit)
607 MODULE_LICENSE("GPL");
608 ----- cut here -----
610 Build and insert the kernel module as shown in the above kprobe
611 example.  You will see the trace data in /var/log/messages and on the
612 console whenever sys_open() returns a negative value.  (Some messages
613 may be suppressed if syslogd is configured to eliminate duplicate
614 messages.)
616 For additional information on Kprobes, refer to the following URLs:
617 http://www-106.ibm.com/developerworks/library/l-kprobes.html?ca=dgr-lnxw42Kprobe
618 http://www.redhat.com/magazine/005mar05/features/kprobes/
619 http://www-users.cs.umn.edu/~boutcher/kprobes/
620 http://www.linuxsymposium.org/2006/linuxsymposium_procv2.pdf (pages 101-115)
623 Appendix A: The kprobes debugfs interface
625 With recent kernels (> 2.6.20) the list of registered kprobes is visible
626 under the /debug/kprobes/ directory (assuming debugfs is mounted at /debug).
628 /debug/kprobes/list: Lists all registered probes on the system
630 c015d71a  k  vfs_read+0x0
631 c011a316  j  do_fork+0x0
632 c03dedc5  r  tcp_v4_rcv+0x0
634 The first column provides the kernel address where the probe is inserted.
635 The second column identifies the type of probe (k - kprobe, r - kretprobe
636 and j - jprobe), while the third column specifies the symbol+offset of
637 the probe. If the probed function belongs to a module, the module name
638 is also specified.
640 /debug/kprobes/enabled: Turn kprobes ON/OFF
642 Provides a knob to globally turn registered kprobes ON or OFF. By default,
643 all kprobes are enabled. By echoing "0" to this file, all registered probes
644 will be disarmed, till such time a "1" is echoed to this file.