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Dynamic Tracing

with DTrace

SystemTap

Sergey Klyaus

Table of contents

7Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Foreword

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Typographic conventions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12TSLoad workload generator

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Operating system Kernel

15Module 1: Dynamic tracing tools. dtrace and stap tools

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Tracing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Dynamic tracing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17DTrace

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19SystemTap

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Safety and errors

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Stability

25Module 2: Dynamic tracing languages

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Probes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Arguments

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Context

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Predicates

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Types and Variables

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Pointers

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Strings and Structures

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Exercise 1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Associative arrays and aggregations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Time

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Printing and speculations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Tapsets translators

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Exercise 2

54Module 3: Principles of dynamic tracing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Applying tracing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Dynamic code analysis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Profiling

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Performance analysis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Pre- and post-processing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Vizualization

74Module 4: Operating system kernel tracing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Process management

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Exercise 3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Process scheduler

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Virtual Memory

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Exercise 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Virtual File System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122Block Input-Output

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Asynchronicity in kernel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Exercise 5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134Network Stack

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138Synchronization primitives

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Interrupt handling and deferred execution

146Module 5: Application tracing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146Userspace process tracing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149Unix C library

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Exercise 6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Java Virtual Machine

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160Non-native languages

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Web applications

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172Exercise 7

173Appendix A. Exercise hints and solutions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173Exercise 1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175Exercise 2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176Exercise 3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184Exercise 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187Exercise 5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190Exercise 6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191Exercise 7

193Appendix B. Lab setup

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193Setting up Operating Systems

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194iSCSI

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195Web application stack

200Appendix C. Cheatsheet

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200Cheatsheet

SystemTap example scripts

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47scripts/stap/wstat.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51scripts/stap/tapset/lstat.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52scripts/stap/lstat.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58scripts/stap/callgraph.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75scripts/stap/dumptask.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84scripts/stap/proc.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100scripts/stap/cfstrace.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113scripts/stap/pagefault.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128scripts/stap/scsitrace.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141scripts/stap/wqtrace.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150scripts/stap/pthread.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155scripts/stap/hotspot.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162scripts/stap/pymalloc.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165scripts/stap/pycode.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169scripts/stap/web.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174scripts/stap/opentrace.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176scripts/stap/openaggr.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176scripts/stap/dumptask-lab3.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182scripts/stap/forktime.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184scripts/stap/pfstat.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187scripts/stap/kmemstat.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187scripts/stap/deblock.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188scripts/stap/readahead.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191scripts/stap/mtxtime.stp

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191scripts/stap/topphp.stp

DTrace example scripts

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47scripts/dtrace/wstat.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50scripts/dtrace/stat.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60scripts/dtrace/callgraph.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80scripts/dtrace/dumptask.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85scripts/dtrace/proc.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91scripts/dtrace/tstrace.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110scripts/dtrace/pagefault.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125scripts/dtrace/sdtrace.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143scripts/dtrace/cvtrace.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151scripts/dtrace/pthread.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155scripts/dtrace/hotspot.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162scripts/dtrace/pymalloc.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164scripts/dtrace/pycode.d

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171scripts/dtrace/web.d

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