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[wrt350n-kernel.git] / Documentation / kprobes.txt
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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.  The jprobe will work in either case, so long as the
96 handler's prototype matches that of the probed function.
98 1.3 Return Probes
100 1.3.1 How Does a Return Probe Work?
102 When you call register_kretprobe(), Kprobes establishes a kprobe at
103 the entry to the function.  When the probed function is called and this
104 probe is hit, Kprobes saves a copy of the return address, and replaces
105 the return address with the address of a "trampoline."  The trampoline
106 is an arbitrary piece of code -- typically just a nop instruction.
107 At boot time, Kprobes registers a kprobe at the trampoline.
109 When the probed function executes its return instruction, control
110 passes to the trampoline and that probe is hit.  Kprobes' trampoline
111 handler calls the user-specified return handler associated with the
112 kretprobe, then sets the saved instruction pointer to the saved return
113 address, and that's where execution resumes upon return from the trap.
115 While the probed function is executing, its return address is
116 stored in an object of type kretprobe_instance.  Before calling
117 register_kretprobe(), the user sets the maxactive field of the
118 kretprobe struct to specify how many instances of the specified
119 function can be probed simultaneously.  register_kretprobe()
120 pre-allocates the indicated number of kretprobe_instance objects.
122 For example, if the function is non-recursive and is called with a
123 spinlock held, maxactive = 1 should be enough.  If the function is
124 non-recursive and can never relinquish the CPU (e.g., via a semaphore
125 or preemption), NR_CPUS should be enough.  If maxactive <= 0, it is
126 set to a default value.  If CONFIG_PREEMPT is enabled, the default
127 is max(10, 2*NR_CPUS).  Otherwise, the default is NR_CPUS.
129 It's not a disaster if you set maxactive too low; you'll just miss
130 some probes.  In the kretprobe struct, the nmissed field is set to
131 zero when the return probe is registered, and is incremented every
132 time the probed function is entered but there is no kretprobe_instance
133 object available for establishing the return probe.
135 1.3.2 Kretprobe entry-handler
137 Kretprobes also provides an optional user-specified handler which runs
138 on function entry. This handler is specified by setting the entry_handler
139 field of the kretprobe struct. Whenever the kprobe placed by kretprobe at the
140 function entry is hit, the user-defined entry_handler, if any, is invoked.
141 If the entry_handler returns 0 (success) then a corresponding return handler
142 is guaranteed to be called upon function return. If the entry_handler
143 returns a non-zero error then Kprobes leaves the return address as is, and
144 the kretprobe has no further effect for that particular function instance.
146 Multiple entry and return handler invocations are matched using the unique
147 kretprobe_instance object associated with them. Additionally, a user
148 may also specify per return-instance private data to be part of each
149 kretprobe_instance object. This is especially useful when sharing private
150 data between corresponding user entry and return handlers. The size of each
151 private data object can be specified at kretprobe registration time by
152 setting the data_size field of the kretprobe struct. This data can be
153 accessed through the data field of each kretprobe_instance object.
155 In case probed function is entered but there is no kretprobe_instance
156 object available, then in addition to incrementing the nmissed count,
157 the user entry_handler invocation is also skipped.
159 2. Architectures Supported
161 Kprobes, jprobes, and return probes are implemented on the following
162 architectures:
164 - i386
165 - x86_64 (AMD-64, EM64T)
166 - ppc64
167 - ia64 (Does not support probes on instruction slot1.)
168 - sparc64 (Return probes not yet implemented.)
169 - arm
171 3. Configuring Kprobes
173 When configuring the kernel using make menuconfig/xconfig/oldconfig,
174 ensure that CONFIG_KPROBES is set to "y".  Under "Instrumentation
175 Support", look for "Kprobes".
177 So that you can load and unload Kprobes-based instrumentation modules,
178 make sure "Loadable module support" (CONFIG_MODULES) and "Module
179 unloading" (CONFIG_MODULE_UNLOAD) are set to "y".
181 Also make sure that CONFIG_KALLSYMS and perhaps even CONFIG_KALLSYMS_ALL
182 are set to "y", since kallsyms_lookup_name() is used by the in-kernel
183 kprobe address resolution code.
185 If you need to insert a probe in the middle of a function, you may find
186 it useful to "Compile the kernel with debug info" (CONFIG_DEBUG_INFO),
187 so you can use "objdump -d -l vmlinux" to see the source-to-object
188 code mapping.
190 4. API Reference
192 The Kprobes API includes a "register" function and an "unregister"
193 function for each type of probe.  Here are terse, mini-man-page
194 specifications for these functions and the associated probe handlers
195 that you'll write.  See the files in the samples/kprobes/ sub-directory
196 for examples.
198 4.1 register_kprobe
200 #include <linux/kprobes.h>
201 int register_kprobe(struct kprobe *kp);
203 Sets a breakpoint at the address kp->addr.  When the breakpoint is
204 hit, Kprobes calls kp->pre_handler.  After the probed instruction
205 is single-stepped, Kprobe calls kp->post_handler.  If a fault
206 occurs during execution of kp->pre_handler or kp->post_handler,
207 or during single-stepping of the probed instruction, Kprobes calls
208 kp->fault_handler.  Any or all handlers can be NULL.
210 NOTE:
211 1. With the introduction of the "symbol_name" field to struct kprobe,
212 the probepoint address resolution will now be taken care of by the kernel.
213 The following will now work:
215         kp.symbol_name = "symbol_name";
217 (64-bit powerpc intricacies such as function descriptors are handled
218 transparently)
220 2. Use the "offset" field of struct kprobe if the offset into the symbol
221 to install a probepoint is known. This field is used to calculate the
222 probepoint.
224 3. Specify either the kprobe "symbol_name" OR the "addr". If both are
225 specified, kprobe registration will fail with -EINVAL.
227 4. With CISC architectures (such as i386 and x86_64), the kprobes code
228 does not validate if the kprobe.addr is at an instruction boundary.
229 Use "offset" with caution.
231 register_kprobe() returns 0 on success, or a negative errno otherwise.
233 User's pre-handler (kp->pre_handler):
234 #include <linux/kprobes.h>
235 #include <linux/ptrace.h>
236 int pre_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs);
238 Called with p pointing to the kprobe associated with the breakpoint,
239 and regs pointing to the struct containing the registers saved when
240 the breakpoint was hit.  Return 0 here unless you're a Kprobes geek.
242 User's post-handler (kp->post_handler):
243 #include <linux/kprobes.h>
244 #include <linux/ptrace.h>
245 void post_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs,
246         unsigned long flags);
248 p and regs are as described for the pre_handler.  flags always seems
249 to be zero.
251 User's fault-handler (kp->fault_handler):
252 #include <linux/kprobes.h>
253 #include <linux/ptrace.h>
254 int fault_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, int trapnr);
256 p and regs are as described for the pre_handler.  trapnr is the
257 architecture-specific trap number associated with the fault (e.g.,
258 on i386, 13 for a general protection fault or 14 for a page fault).
259 Returns 1 if it successfully handled the exception.
261 4.2 register_jprobe
263 #include <linux/kprobes.h>
264 int register_jprobe(struct jprobe *jp)
266 Sets a breakpoint at the address jp->kp.addr, which must be the address
267 of the first instruction of a function.  When the breakpoint is hit,
268 Kprobes runs the handler whose address is jp->entry.
270 The handler should have the same arg list and return type as the probed
271 function; and just before it returns, it must call jprobe_return().
272 (The handler never actually returns, since jprobe_return() returns
273 control to Kprobes.)  If the probed function is declared asmlinkage
274 or anything else that affects how args are passed, the handler's
275 declaration must match.
277 register_jprobe() returns 0 on success, or a negative errno otherwise.
279 4.3 register_kretprobe
281 #include <linux/kprobes.h>
282 int register_kretprobe(struct kretprobe *rp);
284 Establishes a return probe for the function whose address is
285 rp->kp.addr.  When that function returns, Kprobes calls rp->handler.
286 You must set rp->maxactive appropriately before you call
287 register_kretprobe(); see "How Does a Return Probe Work?" for details.
289 register_kretprobe() returns 0 on success, or a negative errno
290 otherwise.
292 User's return-probe handler (rp->handler):
293 #include <linux/kprobes.h>
294 #include <linux/ptrace.h>
295 int kretprobe_handler(struct kretprobe_instance *ri, struct pt_regs *regs);
297 regs is as described for kprobe.pre_handler.  ri points to the
298 kretprobe_instance object, of which the following fields may be
299 of interest:
300 - ret_addr: the return address
301 - rp: points to the corresponding kretprobe object
302 - task: points to the corresponding task struct
303 - data: points to per return-instance private data; see "Kretprobe
304         entry-handler" for details.
306 The regs_return_value(regs) macro provides a simple abstraction to
307 extract the return value from the appropriate register as defined by
308 the architecture's ABI.
310 The handler's return value is currently ignored.
312 4.4 unregister_*probe
314 #include <linux/kprobes.h>
315 void unregister_kprobe(struct kprobe *kp);
316 void unregister_jprobe(struct jprobe *jp);
317 void unregister_kretprobe(struct kretprobe *rp);
319 Removes the specified probe.  The unregister function can be called
320 at any time after the probe has been registered.
322 5. Kprobes Features and Limitations
324 Kprobes allows multiple probes at the same address.  Currently,
325 however, there cannot be multiple jprobes on the same function at
326 the same time.
328 In general, you can install a probe anywhere in the kernel.
329 In particular, you can probe interrupt handlers.  Known exceptions
330 are discussed in this section.
332 The register_*probe functions will return -EINVAL if you attempt
333 to install a probe in the code that implements Kprobes (mostly
334 kernel/kprobes.c and arch/*/kernel/kprobes.c, but also functions such
335 as do_page_fault and notifier_call_chain).
337 If you install a probe in an inline-able function, Kprobes makes
338 no attempt to chase down all inline instances of the function and
339 install probes there.  gcc may inline a function without being asked,
340 so keep this in mind if you're not seeing the probe hits you expect.
342 A probe handler can modify the environment of the probed function
343 -- e.g., by modifying kernel data structures, or by modifying the
344 contents of the pt_regs struct (which are restored to the registers
345 upon return from the breakpoint).  So Kprobes can be used, for example,
346 to install a bug fix or to inject faults for testing.  Kprobes, of
347 course, has no way to distinguish the deliberately injected faults
348 from the accidental ones.  Don't drink and probe.
350 Kprobes makes no attempt to prevent probe handlers from stepping on
351 each other -- e.g., probing printk() and then calling printk() from a
352 probe handler.  If a probe handler hits a probe, that second probe's
353 handlers won't be run in that instance, and the kprobe.nmissed member
354 of the second probe will be incremented.
356 As of Linux v2.6.15-rc1, multiple handlers (or multiple instances of
357 the same handler) may run concurrently on different CPUs.
359 Kprobes does not use mutexes or allocate memory except during
360 registration and unregistration.
362 Probe handlers are run with preemption disabled.  Depending on the
363 architecture, handlers may also run with interrupts disabled.  In any
364 case, your handler should not yield the CPU (e.g., by attempting to
365 acquire a semaphore).
367 Since a return probe is implemented by replacing the return
368 address with the trampoline's address, stack backtraces and calls
369 to __builtin_return_address() will typically yield the trampoline's
370 address instead of the real return address for kretprobed functions.
371 (As far as we can tell, __builtin_return_address() is used only
372 for instrumentation and error reporting.)
374 If the number of times a function is called does not match the number
375 of times it returns, registering a return probe on that function may
376 produce undesirable results. In such a case, a line:
377 kretprobe BUG!: Processing kretprobe d000000000041aa8 @ c00000000004f48c
378 gets printed. With this information, one will be able to correlate the
379 exact instance of the kretprobe that caused the problem. We have the
380 do_exit() case covered. do_execve() and do_fork() are not an issue.
381 We're unaware of other specific cases where this could be a problem.
383 If, upon entry to or exit from a function, the CPU is running on
384 a stack other than that of the current task, registering a return
385 probe on that function may produce undesirable results.  For this
386 reason, Kprobes doesn't support return probes (or kprobes or jprobes)
387 on the x86_64 version of __switch_to(); the registration functions
388 return -EINVAL.
390 6. Probe Overhead
392 On a typical CPU in use in 2005, a kprobe hit takes 0.5 to 1.0
393 microseconds to process.  Specifically, a benchmark that hits the same
394 probepoint repeatedly, firing a simple handler each time, reports 1-2
395 million hits per second, depending on the architecture.  A jprobe or
396 return-probe hit typically takes 50-75% longer than a kprobe hit.
397 When you have a return probe set on a function, adding a kprobe at
398 the entry to that function adds essentially no overhead.
400 Here are sample overhead figures (in usec) for different architectures.
401 k = kprobe; j = jprobe; r = return probe; kr = kprobe + return probe
402 on same function; jr = jprobe + return probe on same function
404 i386: Intel Pentium M, 1495 MHz, 2957.31 bogomips
405 k = 0.57 usec; j = 1.00; r = 0.92; kr = 0.99; jr = 1.40
407 x86_64: AMD Opteron 246, 1994 MHz, 3971.48 bogomips
408 k = 0.49 usec; j = 0.76; r = 0.80; kr = 0.82; jr = 1.07
410 ppc64: POWER5 (gr), 1656 MHz (SMT disabled, 1 virtual CPU per physical CPU)
411 k = 0.77 usec; j = 1.31; r = 1.26; kr = 1.45; jr = 1.99
413 7. TODO
415 a. SystemTap (http://sourceware.org/systemtap): Provides a simplified
416 programming interface for probe-based instrumentation.  Try it out.
417 b. Kernel return probes for sparc64.
418 c. Support for other architectures.
419 d. User-space probes.
420 e. Watchpoint probes (which fire on data references).
422 8. Kprobes Example
424 See samples/kprobes/kprobe_example.c
426 9. Jprobes Example
428 See samples/kprobes/jprobe_example.c
430 10. Kretprobes Example
432 See samples/kprobes/kretprobe_example.c
434 For additional information on Kprobes, refer to the following URLs:
435 http://www-106.ibm.com/developerworks/library/l-kprobes.html?ca=dgr-lnxw42Kprobe
436 http://www.redhat.com/magazine/005mar05/features/kprobes/
437 http://www-users.cs.umn.edu/~boutcher/kprobes/
438 http://www.linuxsymposium.org/2006/linuxsymposium_procv2.pdf (pages 101-115)
441 Appendix A: The kprobes debugfs interface
443 With recent kernels (> 2.6.20) the list of registered kprobes is visible
444 under the /debug/kprobes/ directory (assuming debugfs is mounted at /debug).
446 /debug/kprobes/list: Lists all registered probes on the system
448 c015d71a  k  vfs_read+0x0
449 c011a316  j  do_fork+0x0
450 c03dedc5  r  tcp_v4_rcv+0x0
452 The first column provides the kernel address where the probe is inserted.
453 The second column identifies the type of probe (k - kprobe, r - kretprobe
454 and j - jprobe), while the third column specifies the symbol+offset of
455 the probe. If the probed function belongs to a module, the module name
456 is also specified.
458 /debug/kprobes/enabled: Turn kprobes ON/OFF
460 Provides a knob to globally turn registered kprobes ON or OFF. By default,
461 all kprobes are enabled. By echoing "0" to this file, all registered probes
462 will be disarmed, till such time a "1" is echoed to this file.