eBPF 开发者教程与知识库：通过小工具一步步学习 eBPF
这是一个基于 CO-RE（一次编译，到处运行）的 eBPF 的开发教程，提供了从入门到进阶的 eBPF 开发实践，包括基本概念、代码实例、实际应用等内容。和 BCC 不同的是，我们使用 libbpf、Cilium、libbpf-rs、eunomia-bpf 等框架进行开发，包含 C、Go、Rust 等语言的示例。
本教程不会进行复杂的概念讲解和场景介绍，主要希望提供一些 eBPF 小工具的案例（非常短小，从二十行代码开始入门！），来帮助 eBPF 应用的开发者快速上手 eBPF 的开发方法和技巧。教程内容可以在目录中找到，每个目录都是一个独立的 eBPF 工具案例。
教程关注于可观测性、网络、安全等等方面的 eBPF 示例。
目录
入门文档
包含简单的 eBPF 程序样例与介绍。
- lesson 0-introduce 介绍 eBPF 的基本概念和常见的开发工具
- lesson 1-helloworld 使用 eBPF 开发最简单的「Hello World」程序，介绍 eBPF 的基本框架和开发流程
- lesson 2-kprobe-unlink 在 eBPF 中使用 kprobe 捕获 unlink 系统调用
- lesson 3-fentry-unlink 在 eBPF 中使用 fentry 捕获 unlink 系统调用
- lesson 4-opensnoop 使用 eBPF 捕获进程打开文件的系统调用集合，使用全局变量在 eBPF 中过滤进程 pid
- lesson 5-uprobe-bashreadline 在 eBPF 中使用 uprobe 捕获 bash 的 readline 函数调用
- lesson 6-sigsnoop 捕获进程发送信号的系统调用集合，使用 hash map 保存状态
- lesson 7-execsnoop 捕获进程执行时间，通过 perf event array 向用户态打印输出
- lesson 8-execsnoop 捕获进程退出事件，使用 ring buffer 向用户态打印输出
- lesson 9-runqlat 捕获进程调度延迟，以直方图方式记录
- lesson 10-hardirqs 使用 hardirqs 或 softirqs 捕获中断事件
- lesson 11-bootstrap 使用 libbpf-boostrap 为 eBPF 编写原生的 libbpf 用户态代码，并建立完整的 libbpf 工程。
- lesson 12-profile 使用 eBPF 进行性能分析
- lesson 13-tcpconnlat 记录 TCP 连接延迟，并使用 libbpf 在用户态处理数据
- lesson 14-tcpstates 记录 TCP 连接状态与 TCP RTT
- lesson 15-javagc 使用 usdt 捕获用户态 Java GC 事件耗时
- lesson 16-memleak 检测内存泄漏
- lesson 17-biopattern 捕获磁盘 IO 模式
- lesson 18-further-reading 更进一步的相关资料？
- lesson 19-lsm-connect 使用 LSM 进行安全检测防御
- lesson 20-tc 使用 eBPF 进行 tc 流量控制
- lesson 21-xdp 使用 eBPF 进行 XDP 报文处理
进阶文档与示例程序
这里涵盖了一系列和 eBPF 相关的高级内容，包含在 Android 上使用 eBPF 程序、使用 eBPF 程序进行可能的攻击与防御、复杂的追踪等等。将 eBPF 用户态与内核态的部分结合起来，可能能带来巨大的威力（同时也是安全隐患）。
Android:
网络和追踪：
安全：
- 使用 eBPF 隐藏进程或文件信息
- 使用 bpf_send_signal 发送信号终止进程
- 使用 eBPF 添加 sudo 用户
- 使用 eBPF 替换任意程序读取或写入的文本
- BPF的生命周期：使用 Detached 模式在用户态应用退出后持续运行 eBPF 程序
持续更新中...
为什么要写这个教程？
在学习 eBPF 的过程中，我们受到了 bcc python developer tutorial 的许多启发和帮助，但从当下的角度出发，使用 libbpf 开发 eBPF 的应用是目前相对更好的选择。但目前似乎很少有基于 libbpf 和 BPF CO-RE 出发的、通过案例和工具介绍 eBPF 开发的教程，因此我们发起了这个项目，采用类似 bcc python developer tutorial 的组织方式，但使用 CO-RE 的 libbpf 进行开发。
本项目主要基于 libbpf-boostrap 和 eunomia-bpf 两个框架完成，并使用 eunomia-bpf 帮助简化一部分 libbpf eBPF 用户态代码的编写，让开发者专注于内核态的 eBPF 代码的开发。
- 我们还提供了一个使用 ChatGPT ，通过自然语言描述即可自动编写 eBPF 程序和追踪 Linux 系统的小工具，可以让您交互式地学习 eBPF 程序：GPTtrace
- 欢迎在本仓库的 issue 或 discussion 中提出任意关于 eBPF 学习的疑惑和问题，或者实践中遇到的 bug，我们会尽力帮助您解答！
GitHub 模板：轻松构建 eBPF 项目和开发环境，一键在线编译运行 eBPF 程序
面对创建一个 eBPF 项目，您是否对如何开始搭建环境以及选择编程语言感到困惑？别担心，我们为您准备了一系列 GitHub 模板，以便您快速启动一个全新的eBPF项目。只需在GitHub上点击 Use this template 按钮，即可开始使用。
- https://github.com/eunomia-bpf/libbpf-starter-template：基于 C 语言和 libbpf 框架的eBPF 项目模板
- https://github.com/eunomia-bpf/cilium-ebpf-starter-template：基于 Go 语言和cilium/框架的的 eBPF 项目模板
- https://github.com/eunomia-bpf/libbpf-rs-starter-template：基于 Rust 语言和libbpf-rs 框架的 eBPF 项目模板
- https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-template：基于 C 语言和 eunomia-bpf 框架的eBPF 项目模板
这些启动模板包含以下功能：
- 一个 Makefile，让您可以一键构建项目
- 一个 Dockerfile，用于为您的 eBPF 项目自动创建一个容器化环境并发布到 Github Packages
- GitHub Actions，用于自动化构建、测试和发布流程
- eBPF 开发所需的所有依赖项
通过将现有仓库设置为模板，您和其他人可以快速生成具有相同基础结构的新仓库，从而省去了手动创建和配置的繁琐过程。借助 GitHub 模板仓库，开发者可以专注于项目的核心功能和逻辑，而无需为基础设置和结构浪费时间。更多关于模板仓库的信息，请参阅官方文档：https://docs.github.com/en/repositories/creating-and-managing-repositories/creating-a-template-repository
当您使用上述 eBPF 项目模板中的一个创建了一个新仓库时，您可以使用 GitHub Codespaces 轻松地设置和启动一个在线开发环境。以下是使用 GitHub Codespaces 编译和运行 eBPF 程序的步骤：
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点击您的新仓库中的 Code 按钮，然后选择 Open with Codespaces 选项：
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GitHub 将为您创建一个新的 Codespace，这可能需要几分钟的时间，具体取决于您的网络速度和仓库的大小。
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一旦您的 Codespace 启动并准备好使用，您可以打开终端并导航到您的项目目录中。
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可以按照对应的仓库中的介绍来编译和运行 eBPF 程序:
使用 Codespaces，您可以轻松地创建、管理和共享云端开发环境，从而将您的开发过程加速并使其更具可靠性。您可以在任何地方、任何设备上使用 Codespaces 进行开发，只需要一个具有 Web 浏览器的计算机即可。同时，GitHub Codespaces 还支持预先配置好的环境、自定义开发容器和可定制化的开发体验等功能，以满足您的开发需求。
在 codespace 编写代码，提交后，Github Actions 会进行编译并自动发布容器镜像。接下来，你可以在任何地方使用 docker 一键运行这个 eBPF 程序，例如：
$ sudo docker run --rm -it --privileged ghcr.io/eunomia-bpf/libbpf-rs-template:latest
[sudo] password for xxx:
Tracing run queue latency higher than 10000 us
TIME COMM TID LAT(us)
12:09:19 systemd-udevd 30786 18300
12:09:19 systemd-udevd 30796 21941
12:09:19 systemd-udevd 30793 10323
12:09:19 systemd-udevd 30795 14827
12:09:19 systemd-udevd 30790 17973
12:09:19 systemd-udevd 30793 12328
12:09:19 systemd-udevd 30796 28721
为什么需要基于 libbpf 和 BPF CO-RE 的教程？
历史上，当需要开发一个BPF应用时可以选择BCC 框架，在实现各种用于Tracepoints的BPF程序时需要将BPF程序加载到内核中。BCC提供了内置的Clang编译器，可以在运行时编译BPF代码，并将其定制为符合特定主机内核的程序。这是在不断变化的内核内部下开发可维护的BPF应用程序的唯一方法。在BPF的可移植性和CO-RE一文中详细介绍了为什么会这样，以及为什么BCC是之前唯一的可行方式，此外还解释了为什么 libbpf 是目前比较好的选择。去年，Libbpf的功能和复杂性得到了重大提升，消除了与BCC之间的很多差异(特别是对Tracepoints应用来说)，并增加了很多BCC不支持的新的且强大的特性(如全局变量和BPF skeletons)。
诚然，BCC会竭尽全力简化BPF开发人员的工作，但有时在获取便利性的同时也增加了问题定位和修复的困难度。用户必须记住其命名规范以及自动生成的用于Tracepoints的结构体，且必须依赖这些代码的重写来读取内核数据和获取kprobe参数。当使用BPF map时，需要编写一个半面向对象的C代码，这与内核中发生的情况并不完全匹配。除此之外，BCC使得用户在用户空间编写了大量样板代码，且需要手动配置最琐碎的部分。
如上所述，BCC依赖运行时编译，且本身嵌入了庞大的LLVM/Clang库，由于这些原因，BCC与理想的使用有一定差距：
- 编译时的高资源利用率(内存和CPU)，在繁忙的服务器上时有可能干扰主流程。
- 依赖内核头文件包，不得不在每台目标主机上进行安装。即使这样，如果需要某些没有通过公共头文件暴露的内核内容时，需要将类型定义拷贝黏贴到BPF代码中，通过这种方式达成目的。
- 即使是很小的编译时错误也只能在运行时被检测到，之后不得不重新编译并重启用户层的应用；这大大影响了开发的迭代时间(并增加了挫败感...)
Libbpf + BPF CO-RE (Compile Once – Run Everywhere) 选择了一个不同的方式，其思想在于将BPF程序视为一个普通的用户空间的程序：仅需要将其编译成一些小的二进制，然后不用经过修改就可以部署到目的主机上。libbpf扮演了BPF程序的加载器，负责配置工作(重定位，加载和校验BPF程序，创建BPF maps，附加到BPF钩子上等)，开发者仅需要关注BPF程序的正确性和性能即可。这种方式使得开销降到了最低，消除了大量依赖，提升了整体开发者的开发体验。
在API和代码约定方面，libbpf坚持"最少意外"的哲学，即大部分内容都需要明确地阐述：不会隐含任何头文件，也不会重写代码。仅使用简单的C代码和适当的辅助宏即可消除大部分单调的环节。 此外，用户编写的是需要执行的内容，BPF应用程序的结构是一对一的，最终由内核验证并执行。
参考：BCC 到libbpf 的转换指南【译】 - 深入浅出eBPF: https://www.ebpf.top/post/bcc-to-libbpf-guid/
eunomia-bpf
eunomia-bpf 是一个开源的 eBPF 动态加载运行时和开发工具链，是为了简化 eBPF 程序的开发、构建、分发、运行而设计的，基于 libbpf 的 CO-RE 轻量级开发框架。
使用 eunomia-bpf ，可以：
- 在编写 eBPF 程序或工具时只编写 libbpf 内核态代码，自动获取内核态导出信息；
- 使用 Wasm 进行 eBPF 用户态程序的开发，在 WASM 虚拟机内部控制整个 eBPF 程序的加载和执行，以及处理相关数据；
- eunomia-bpf 可以将预编译的 eBPF 程序打包为通用的 JSON 或 WASM 模块，跨架构和内核版本进行分发，无需重新编译即可动态加载运行。
eunomia-bpf 由一个编译工具链和一个运行时库组成, 对比传统的 BCC、原生 libbpf 等框架，大幅简化了 eBPF 程序的开发流程，在大多数时候只需编写内核态代码，即可轻松构建、打包、发布完整的 eBPF 应用，同时内核态 eBPF 代码保证和主流的 libbpf, libbpfgo, libbpf-rs 等开发框架的 100% 兼容性。需要编写用户态代码的时候，也可以借助 Webassembly 实现通过多种语言进行用户态开发。和 bpftrace 等脚本工具相比, eunomia-bpf 保留了类似的便捷性, 同时不仅局限于 trace 方面, 可以用于更多的场景, 如网络、安全等等。
- eunomia-bpf 项目 Github 地址: https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-bpf
- gitee 镜像: https://gitee.com/anolis/eunomia
让 chatGPT 来帮助我们
本教程借助 chatGPT 来学习编写 eBPF 程序，同时我们尝试教会 chatGPT 编写 eBPF 程序，大概步骤如下：
- 告诉它基本的 eBPF 编程相关的常识
- 告诉它一些案例：hello world，eBPF 程序的基本结构，如何使用 eBPF 程序进行追踪，并且让它开始编写教程
- 手动调整教程，并纠正代码和文档中的错误
- 把修改后的代码再喂给 chatGPT，让它继续学习
- 尝试让 chatGPT 自动生成 eBPF 程序和对应的教程文档！例如
完整的对话记录可以在这里找到: chatGPT.md
我们也构建了一个命令行工具的 demo ，通过本教程的训练， 让它通过自然语言描述即可自动编写 eBPF 程序，追踪 Linux 系统：https://github.com/eunomia-bpf/GPTtrace
