哈喽，各位好！今天咱们来聊点刺激的：在生产环境“偷窥”C++程序的秘密，而且还不让它察觉！
咱们要聊的就是SystemTap和DTrace这两位大神，它们是动态追踪的利器，能让咱们在不修改、不重启C++程序的情况下，观察它的行为。想象一下，你就像一个隐形的特工，潜伏在程序的内部，记录它的每一个动作，这感觉是不是很酷？
一、 啥是动态追踪？为啥我们需要它？
首先，让我们搞清楚啥是动态追踪。简单来说，它就是在程序运行的时候，动态地收集程序的信息，比如函数调用、变量值等等。这跟静态分析（比如看代码）不一样，静态分析只能看到代码的逻辑，而动态追踪能看到代码在实际运行时的表现。
为啥我们需要动态追踪呢？原因有很多：
- 定位性能瓶颈： 你的程序跑得很慢？动态追踪可以告诉你，时间都花在哪儿了，哪个函数调用次数最多，哪个函数执行时间最长。
- 发现潜在Bug： 有时候，Bug只会在特定的情况下才会出现，很难通过调试来复现。动态追踪可以记录程序运行时的状态，帮助你找到Bug的线索。
- 理解程序行为： 即使程序没有Bug，你也可能想了解它的内部工作原理。动态追踪可以让你深入了解程序的内部机制，更好地理解它的行为。
- 安全审计： 可以用来监视程序是否有异常行为，例如非法访问内存、执行恶意代码等等。
总之，动态追踪就像一个万能的侦探，可以帮助你解决各种各样的问题。
二、SystemTap和DTrace：两位大神登场！
SystemTap和DTrace是两个非常强大的动态追踪工具。它们都允许你编写脚本，指定要追踪的目标，然后收集程序的信息。
SystemTap： 这是一个开源的工具，主要用于Linux系统。它使用一种叫做stap的脚本语言，可以让你方便地追踪内核和用户空间的程序。DTrace： 这是Sun公司（后来被Oracle收购）开发的工具，最初用于Solaris系统，现在也支持其他一些Unix-like系统，比如macOS。它使用一种叫做D的脚本语言，功能非常强大。
虽然SystemTap和DTrace的脚本语言不一样，但它们的基本原理是相似的：
- 定义探针（Probe）： 探针就是你想要追踪的目标，比如某个函数的入口、出口，或者某个特定的代码行。
- 编写脚本： 脚本指定了当探针被触发时，要执行的操作，比如打印变量的值、记录时间戳等等。
- 运行脚本： 运行脚本后，
SystemTap或DTrace会自动将探针插入到程序中，开始收集信息。
三、SystemTap实战：追踪C++程序
让我们通过一个简单的例子来演示如何使用SystemTap追踪C++程序。
假设我们有这样一个C++程序：
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
int add(int a, int b) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 模拟耗时操作
return a + b;
}
int main() {
int x = 10;
int y = 20;
int sum = add(x, y);
std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
return 0;
}这个程序很简单，就是定义了一个add函数，然后调用它计算两个数的和。现在，我们想用SystemTap来追踪add函数的调用，看看它的参数和返回值。
首先，我们需要安装SystemTap。在Ubuntu系统上，可以使用以下命令安装：
sudo apt-get update
sudo apt-get install systemtap安装完成后，我们可以编写一个SystemTap脚本：
probe process("./a.out").function("add") {
printf("Entering add function: a = %d, b = %dn", $a, $b);
}
probe process("./a.out").function("add").return {
printf("Exiting add function: return value = %dn", $return);
}这个脚本定义了两个探针：
process("./a.out").function("add")：这个探针会在add函数入口处被触发。./a.out是程序的路径，add是函数名。process("./a.out").function("add").return：这个探针会在add函数出口处被触发。
脚本中的printf语句用于打印信息。$a和$b分别表示add函数的参数，$return表示返回值。
保存这个脚本为add.stap，然后运行它：
sudo stap add.stap运行后，你会看到类似这样的输出：
Entering add function: a = 10, b = 20
Exiting add function: return value = 30这说明SystemTap成功地追踪了add函数的调用，并打印了它的参数和返回值。
四、DTrace实战：追踪C++程序
接下来，让我们用DTrace来做同样的事情。
首先，你需要确保你的系统支持DTrace。macOS系统默认支持DTrace，其他系统可能需要安装。
然后，我们可以编写一个DTrace脚本：
#! /usr/sbin/dtrace -s
pid$target::add:entry
{
printf("Entering add function: a = %d, b = %dn", arg0, arg1);
}
pid$target::add:return
{
printf("Exiting add function: return value = %dn", arg1); // 注意这里是arg1，因为返回值存放在arg1中
}这个脚本的结构和SystemTap脚本很相似，也是定义了两个探针：
pid$target::add:entry：在add函数入口处触发。pid$target表示目标进程的ID，add是函数名，entry表示入口。pid$target::add:return：在add函数出口处触发。return表示出口。
脚本中的printf语句用于打印信息。arg0和arg1分别表示add函数的参数，返回值在return probe中保存在arg1中。
保存这个脚本为add.d，然后运行它：
sudo dtrace -s add.d -p $(pgrep a.out)-p $(pgrep a.out)表示指定要追踪的进程ID，pgrep a.out会找到a.out程序的进程ID。
运行后，你会看到类似这样的输出：
PID FUNCTION:NAME
2345 add:entry Entering add function: a = 10, b = 20
2345 add:return Exiting add function: return value = 30这说明DTrace也成功地追踪了add函数的调用，并打印了它的参数和返回值。
五、更高级的用法：追踪STL容器、虚函数等等
上面的例子只是一个简单的入门，SystemTap和DTrace的功能远不止于此。它们可以追踪更复杂的东西，比如STL容器、虚函数等等。
- 追踪STL容器： 你可以用
SystemTap或DTrace来观察STL容器的内部状态，比如vector的大小、map的元素等等。这对于分析程序的内存使用情况非常有帮助。 - 追踪虚函数： 虚函数是C++中一个重要的概念，但有时候很难理解虚函数的调用过程。
SystemTap和DTrace可以让你追踪虚函数的调用，让你更好地理解多态的机制。 - 追踪内核函数：
SystemTap和DTrace不仅可以追踪用户空间的程序，还可以追踪内核函数。这对于分析操作系统的行为非常有帮助。
六、注意事项和最佳实践
在使用SystemTap和DTrace时，有一些注意事项和最佳实践：
- 生产环境慎用： 动态追踪会对程序的性能产生一定的影响，所以在生产环境中使用时要非常小心。尽量只追踪必要的信息，避免过度追踪。
- 了解目标程序： 在开始追踪之前，最好先了解目标程序的代码和架构，这样才能更好地定义探针和编写脚本。
- 使用合适的探针：
SystemTap和DTrace提供了很多种探针，要根据实际情况选择合适的探针。比如，如果你只想知道函数的返回值，可以使用return探针，而不需要使用entry探针。 - 编写清晰的脚本： 脚本要编写得清晰易懂，方便以后维护和修改。
- 测试脚本： 在生产环境中使用之前，最好先在测试环境中测试脚本，确保它能正常工作。
- 注意安全： 动态追踪可能会暴露程序的敏感信息，所以在使用时要注意安全，避免泄露隐私。
七、SystemTap vs DTrace：谁更胜一筹？
SystemTap和DTrace都是非常优秀的动态追踪工具，它们各有优缺点。
| 特性 | SystemTap |
DTrace |
|---|---|---|
| 平台支持 | 主要用于Linux系统 | 最初用于Solaris系统，现在也支持macOS等Unix-like系统 |
| 脚本语言 | stap |
D |
| 开源 | 是 | 不是完全开源 |
| 社区支持 | 社区活跃，文档丰富 | 社区相对较小，但文档也很完善 |
| 性能影响 | 可能会对程序性能产生较大的影响 | 性能影响通常较小，特别是使用静态探针时 |
| 安全性 | 需要root权限才能运行，安全性较高 | 需要root权限才能运行，安全性较高 |
| 易用性 | 学习曲线较陡峭，需要一定的Linux内核知识 | 学习曲线相对平缓，D语言更易于学习 |
| 功能 | 功能强大，可以追踪内核和用户空间的程序 | 功能强大，可以追踪内核和用户空间的程序，支持动态插桩 |
| 适用场景 | 适用于Linux系统上的性能分析、Bug定位、安全审计等 | 适用于Solaris和macOS系统上的性能分析、Bug定位、安全审计等，尤其擅长动态插桩 |
| 示例代码 | probe process("./a.out").function("add") { printf("Entering add: %d %dn", $a, $b); } |
pid$target::add:entry { printf("Entering add: %d %dn", arg0, arg1); } |
总的来说，SystemTap和DTrace都是非常强大的工具，选择哪个取决于你的具体需求和使用环境。如果你主要在Linux系统上工作，并且需要追踪内核函数，那么SystemTap可能更适合你。如果你在Solaris或macOS系统上工作，并且需要更强大的动态插桩功能，那么DTrace可能更适合你。
八、总结
今天我们一起探索了SystemTap和DTrace这两个强大的动态追踪工具，它们可以帮助我们在生产环境中“偷窥”C++程序的秘密，而无需修改代码或重启程序。
虽然动态追踪听起来很复杂，但只要掌握了基本原理和使用方法，就可以用它来解决各种各样的问题，比如定位性能瓶颈、发现潜在Bug、理解程序行为等等。
希望今天的分享对你有所帮助，让你在C++开发的道路上更上一层楼！
记住，动态追踪就像一个万能的侦探，可以帮助你解决各种各样的问题。下次你的程序出现问题时，不妨试试用SystemTap或DTrace来追踪一下，也许会有意想不到的收获！
感谢大家的收听！