在Linux操作系统上有一个非常有用的工具，无论是进行深层次的问题定位，还是进行Linux内核代码的学习，使用该工具都能达到事半功倍的效果。今天我们就介绍一下这个工具及其用法。
今天，我们主要介绍如下几部分的内容：
- 什么是ftrace
- ftrace的基本用法
- ftrace的实现原理概述
什么是 ftrace
我们可以将ftrace理解为Function tracer的简称，可以看出其基本功能是实现函数调用的跟踪。其实ftrace不仅仅用于进行函数调用的跟踪，其它很多内核信息都可以通过该工具进行跟踪。
除了上面函数调用跟踪外，ftrace 还能帮我们分析内核特定的事件，比如调度，中断等;它还能帮我们去追踪延迟，比如中断被屏蔽，抢占被禁止的时间，以及唤醒一个进程之后多久开始执行的时间等等。
因此可以理解，ftrace其实为我们提供了一个透视内核的工具，这就像医院的CT机或者核磁共振一样，通过该工具我们可以了解内核内部的更多细节。下面我们罗列出该工具的主要功能，大家可以作为参考：
(1) Function tracer 和 Function graph tracer：跟踪函数调用。
(2) Schedule switch tracer：跟踪进程调度情况。
(3) Preemptoff tracer：和前一个 tracer 类似，preemptoff tracer 跟踪并记录禁止内核抢占的函数，并清晰地显示出禁止抢占时间最长的内核函数。
(4) Preemptirqsoff tracer：同上，跟踪和记录禁止中断或者禁止抢占的内核函数，以及禁止时间最长的函数。
(5) Branch tracer：跟踪内核程序中的 likely/unlikely 分支预测命中率情况。 Branch tracer 能够记录这些分支语句有多少次预测成功。从而为优化程序提供线索。
(6) Hardware branch tracer：利用处理器的分支跟踪能力，实现硬件级别的指令跳转记录。在 x86 上，主要利用了 BTS 这个特性。
(7) Sysprof tracer：缺省情况下，sysprof tracer 每隔 1 msec 对内核进行一次采样，记录函数调用和堆栈信息。
(8) Kernel memory tracer：内存 tracer 主要用来跟踪 slab allocator 的分配情况。包括 kfree，kmem_cache_alloc 等 API 的调用情况，用户程序可以根据 tracer 收集到的信息分析内部碎片情况，找出内存分配最频繁的代码片断，等等。
(9) Initcall tracer：记录系统在 boot 阶段所调用的 init call 。
(10) Mmiotrace tracer：记录 memory map IO 的相关信息。
(11) Power tracer：记录系统电源管理相关的信息。
(12) Workqueue statistical tracer：这是一个 statistic tracer，统计系统中所有的 workqueue 的工作情况，比如有多少个 work 被插入 workqueue，多少个已经被执行等。开发人员可以以此来决定具体的 workqueue 实现，比如是使用 single threaded workqueue 还是 per cpu workqueue.
(13) Event tracer：跟踪系统事件，比如 timer，系统调用，中断等。
(14) Wakeup tracer：跟踪进程的调度延迟，即高优先级进程从进入 ready 状态到获得 CPU 的延迟时间。该 tracer 只针对实时进程。
(15) Irqsoff tracer：当中断被禁止时，系统无法相应外部事件，比如键盘和鼠标，时钟也无法产生 tick 中断。这意味着系统响应延迟，irqsoff 这个 tracer 能够跟踪并记录内核中哪些函数禁止了中断，对于其中中断禁止时间最长的，irqsoff 将在 log 文件的第一行标示出来，从而使开发人员可以迅速定位造成响应延迟的罪魁祸首。
ftrace的基本用法
ftrace的基本用法其实是比较简单的。以Ubuntu18.04为例，我们只需要在current_tracer文件中输入function字符串即可。具体操作步骤如下：
- cd /sys/kernel/debug/tracing
- echo function > current_tracer
当执行上述命令后，我们用vim命令打开该目录下面一个名为trace的文件，此时就可以函数调用情况。
如果查看该文件，可能会发现有几万个函数调用，估计看着就头大。其实它的功能要强大的多，比如我们通过function_graph实现调用栈的层级关系，此时可以更加方便的理清函数调用关系。同时，我们还可实现函数名称的过滤，比如只抓取某些，或者不抓取某些函数等等。
有些版本的操作系统可能不能直接使用该功能，这就需要进行一些配置。关于这些配置，本文暂不介绍，后续专门进行相关介绍。
ftrace的实现原理概述
ftrace最早用于跟踪函数调用，后来随着需求的增加，ftrace演变为一个框架。也就是我们前面介绍的对内核各种探测的功能。
整个ftrace的架构如图所示，其整体分为两层，核心部分是内核框架和一些捕获信息的插件，其中函数调用就是其中一个插件;另外一部分则是用户态的一些辅助工具集。
可以看出，在内核中核心的是ftrace框架，具体功能组件是各种插件，也就是tracers。如果需要跟踪具体的内容，则该tracer需要注册到框架当中。tracer捕获的信息会输出到一个环形缓冲区中。整个框架中需要用到另外一个内核模块，也就是debugfs模块。该模块实现了用户态与内核的交互。
内核态的代码在kernel/trace目录下面，该下面是ftrace框架和各个tracer的代码。如下图所示，可以看出tracer还是比较多的。
整个ftrace的代码量也并不是特别多，大概有4万多行的样子。所以，目前ftrace确实是一个非常强大的内核状态监测工具。
