【操作系统百科】eBPF 核心

eBPF 从包过滤器进化成内核的通用可编程框架——networking、tracing、security、scheduling 全覆盖。

一、先看图

flowchart TD
    SRC[BPF C 源码] --> CLANG[clang -target bpf]
    CLANG --> OBJ[BPF 字节码<br/>.o ELF]
    OBJ --> LOAD[bpf syscall<br/>BPF_PROG_LOAD]
    LOAD --> VERIFY[verifier<br/>安全检查]
    VERIFY --> JIT[JIT 编译<br/>→ 本机码]
    JIT --> ATTACH[attach 到 hook<br/>kprobe/tracepoint/XDP...]
    ATTACH --> MAP[BPF maps<br/>用户态 ↔ 内核态通信]

    classDef build fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef kern fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class SRC,CLANG,OBJ build
    class LOAD,VERIFY,JIT,ATTACH,MAP kern

二、程序类型

三、verifier

bpf(BPF_PROG_LOAD, ...) → verifier 模拟执行所有路径

verifier 检查：

• 无越界内存访问
• 无无限循环（有界循环 6.x 允许）
• 所有路径都返回
• 辅助函数参数类型正确
• 不泄露内核指针到用户态

四、JIT

verifier 通过 → JIT 编译为本机码（x86、arm64、riscv）。

sysctl net.core.bpf_jit_enable=1    # 默认开启
sysctl net.core.bpf_jit_harden=2    # 生产加固

JIT 后性能接近手写内核代码。

五、BPF Maps

struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_HASH);
    __type(key, u32);
    __type(value, u64);
    __uint(max_entries, 10240);
} my_map SEC(".maps");

常用 map 类型：

六、BTF 与 CO-RE

6.1 BTF（BPF Type Format）

内核编译时生成类型信息 → BPF 程序可以按名称访问结构体字段。

6.2 CO-RE（Compile Once, Run Everywhere）

// libbpf CO-RE
u32 pid = BPF_CORE_READ(task, tgid);

编译一次 → 运行在不同内核版本 → libbpf 根据 BTF 重定位字段偏移。

七、BPF_LSM

SEC("lsm/file_open")
int BPF_PROG(restrict_open, struct file *file)
{
    // 自定义安全策略
    return -EPERM;
}

用 BPF 实现 LSM 钩子 → 动态安全策略 → 不需要编译内核模块。

八、sched_ext

SEC("struct_ops/enqueue")
void BPF_PROG(my_enqueue, struct task_struct *p, u64 enq_flags)
{
    scx_bpf_dispatch(p, SCX_DSQ_GLOBAL, SCX_SLICE_DFL, enq_flags);
}

用 BPF 写调度器 → 实验性调度策略 → 无需重编内核。

九、观察

bpftool prog list              # 已加载 BPF 程序
bpftool map list               # 已创建 map
bpftool prog dump xlated id 1  # 查看字节码
bpftool btf dump file /sys/kernel/btf/vmlinux | head

# bpftrace 快速追踪
bpftrace -e 'kprobe:vfs_read { @[comm] = count(); }'

十、小结

• eBPF = 内核通用可编程框架
• verifier 保证安全 → JIT 保证性能
• maps 实现用户态 ↔︎ 内核态通信
• BTF + CO-RE 解决跨版本兼容
• BPF_LSM + sched_ext 扩展到安全和调度

参考文献

• kernel/bpf/
• Documentation/bpf/
• Brendan Gregg, “BPF Performance Tools.” 2019
• ebpf.io

工具

• bpftool
• bpftrace
• libbpf
• bcc

延伸阅读

• eBPF 系列索引

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