doc: Add vendor prefix for Kieback & Peter GmbH
[platform/kernel/linux-rpi.git] / Documentation / kprobes.txt
1 =======================
2 Kernel Probes (Kprobes)
3 =======================
4
5 :Author: Jim Keniston <jkenisto@us.ibm.com>
6 :Author: Prasanna S Panchamukhi <prasanna.panchamukhi@gmail.com>
7 :Author: Masami Hiramatsu <mhiramat@redhat.com>
8
9 .. CONTENTS
10
11   1. Concepts: Kprobes, Jprobes, Return Probes
12   2. Architectures Supported
13   3. Configuring Kprobes
14   4. API Reference
15   5. Kprobes Features and Limitations
16   6. Probe Overhead
17   7. TODO
18   8. Kprobes Example
19   9. Jprobes Example
20   10. Kretprobes Example
21   Appendix A: The kprobes debugfs interface
22   Appendix B: The kprobes sysctl interface
23
24 Concepts: Kprobes, Jprobes, Return Probes
25 =========================================
26
27 Kprobes enables you to dynamically break into any kernel routine and
28 collect debugging and performance information non-disruptively. You
29 can trap at almost any kernel code address [1]_, specifying a handler
30 routine to be invoked when the breakpoint is hit.
31
32 .. [1] some parts of the kernel code can not be trapped, see
33        :ref:`kprobes_blacklist`)
34
35 There are currently three types of probes: kprobes, jprobes, and
36 kretprobes (also called return probes).  A kprobe can be inserted
37 on virtually any instruction in the kernel.  A jprobe is inserted at
38 the entry to a kernel function, and provides convenient access to the
39 function's arguments.  A return probe fires when a specified function
40 returns.
41
42 In the typical case, Kprobes-based instrumentation is packaged as
43 a kernel module.  The module's init function installs ("registers")
44 one or more probes, and the exit function unregisters them.  A
45 registration function such as register_kprobe() specifies where
46 the probe is to be inserted and what handler is to be called when
47 the probe is hit.
48
49 There are also ``register_/unregister_*probes()`` functions for batch
50 registration/unregistration of a group of ``*probes``. These functions
51 can speed up unregistration process when you have to unregister
52 a lot of probes at once.
53
54 The next four subsections explain how the different types of
55 probes work and how jump optimization works.  They explain certain
56 things that you'll need to know in order to make the best use of
57 Kprobes -- e.g., the difference between a pre_handler and
58 a post_handler, and how to use the maxactive and nmissed fields of
59 a kretprobe.  But if you're in a hurry to start using Kprobes, you
60 can skip ahead to :ref:`kprobes_archs_supported`.
61
62 How Does a Kprobe Work?
63 -----------------------
64
65 When a kprobe is registered, Kprobes makes a copy of the probed
66 instruction and replaces the first byte(s) of the probed instruction
67 with a breakpoint instruction (e.g., int3 on i386 and x86_64).
68
69 When a CPU hits the breakpoint instruction, a trap occurs, the CPU's
70 registers are saved, and control passes to Kprobes via the
71 notifier_call_chain mechanism.  Kprobes executes the "pre_handler"
72 associated with the kprobe, passing the handler the addresses of the
73 kprobe struct and the saved registers.
74
75 Next, Kprobes single-steps its copy of the probed instruction.
76 (It would be simpler to single-step the actual instruction in place,
77 but then Kprobes would have to temporarily remove the breakpoint
78 instruction.  This would open a small time window when another CPU
79 could sail right past the probepoint.)
80
81 After the instruction is single-stepped, Kprobes executes the
82 "post_handler," if any, that is associated with the kprobe.
83 Execution then continues with the instruction following the probepoint.
84
85 How Does a Jprobe Work?
86 -----------------------
87
88 A jprobe is implemented using a kprobe that is placed on a function's
89 entry point.  It employs a simple mirroring principle to allow
90 seamless access to the probed function's arguments.  The jprobe
91 handler routine should have the same signature (arg list and return
92 type) as the function being probed, and must always end by calling
93 the Kprobes function jprobe_return().
94
95 Here's how it works.  When the probe is hit, Kprobes makes a copy of
96 the saved registers and a generous portion of the stack (see below).
97 Kprobes then points the saved instruction pointer at the jprobe's
98 handler routine, and returns from the trap.  As a result, control
99 passes to the handler, which is presented with the same register and
100 stack contents as the probed function.  When it is done, the handler
101 calls jprobe_return(), which traps again to restore the original stack
102 contents and processor state and switch to the probed function.
103
104 By convention, the callee owns its arguments, so gcc may produce code
105 that unexpectedly modifies that portion of the stack.  This is why
106 Kprobes saves a copy of the stack and restores it after the jprobe
107 handler has run.  Up to MAX_STACK_SIZE bytes are copied -- e.g.,
108 64 bytes on i386.
109
110 Note that the probed function's args may be passed on the stack
111 or in registers.  The jprobe will work in either case, so long as the
112 handler's prototype matches that of the probed function.
113
114 Note that in some architectures (e.g.: arm64 and sparc64) the stack
115 copy is not done, as the actual location of stacked parameters may be
116 outside of a reasonable MAX_STACK_SIZE value and because that location
117 cannot be determined by the jprobes code. In this case the jprobes
118 user must be careful to make certain the calling signature of the
119 function does not cause parameters to be passed on the stack (e.g.:
120 more than eight function arguments, an argument of more than sixteen
121 bytes, or more than 64 bytes of argument data, depending on
122 architecture).
123
124 Return Probes
125 -------------
126
127 How Does a Return Probe Work?
128 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
129
130 When you call register_kretprobe(), Kprobes establishes a kprobe at
131 the entry to the function.  When the probed function is called and this
132 probe is hit, Kprobes saves a copy of the return address, and replaces
133 the return address with the address of a "trampoline."  The trampoline
134 is an arbitrary piece of code -- typically just a nop instruction.
135 At boot time, Kprobes registers a kprobe at the trampoline.
136
137 When the probed function executes its return instruction, control
138 passes to the trampoline and that probe is hit.  Kprobes' trampoline
139 handler calls the user-specified return handler associated with the
140 kretprobe, then sets the saved instruction pointer to the saved return
141 address, and that's where execution resumes upon return from the trap.
142
143 While the probed function is executing, its return address is
144 stored in an object of type kretprobe_instance.  Before calling
145 register_kretprobe(), the user sets the maxactive field of the
146 kretprobe struct to specify how many instances of the specified
147 function can be probed simultaneously.  register_kretprobe()
148 pre-allocates the indicated number of kretprobe_instance objects.
149
150 For example, if the function is non-recursive and is called with a
151 spinlock held, maxactive = 1 should be enough.  If the function is
152 non-recursive and can never relinquish the CPU (e.g., via a semaphore
153 or preemption), NR_CPUS should be enough.  If maxactive <= 0, it is
154 set to a default value.  If CONFIG_PREEMPT is enabled, the default
155 is max(10, 2*NR_CPUS).  Otherwise, the default is NR_CPUS.
156
157 It's not a disaster if you set maxactive too low; you'll just miss
158 some probes.  In the kretprobe struct, the nmissed field is set to
159 zero when the return probe is registered, and is incremented every
160 time the probed function is entered but there is no kretprobe_instance
161 object available for establishing the return probe.
162
163 Kretprobe entry-handler
164 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
165
166 Kretprobes also provides an optional user-specified handler which runs
167 on function entry. This handler is specified by setting the entry_handler
168 field of the kretprobe struct. Whenever the kprobe placed by kretprobe at the
169 function entry is hit, the user-defined entry_handler, if any, is invoked.
170 If the entry_handler returns 0 (success) then a corresponding return handler
171 is guaranteed to be called upon function return. If the entry_handler
172 returns a non-zero error then Kprobes leaves the return address as is, and
173 the kretprobe has no further effect for that particular function instance.
174
175 Multiple entry and return handler invocations are matched using the unique
176 kretprobe_instance object associated with them. Additionally, a user
177 may also specify per return-instance private data to be part of each
178 kretprobe_instance object. This is especially useful when sharing private
179 data between corresponding user entry and return handlers. The size of each
180 private data object can be specified at kretprobe registration time by
181 setting the data_size field of the kretprobe struct. This data can be
182 accessed through the data field of each kretprobe_instance object.
183
184 In case probed function is entered but there is no kretprobe_instance
185 object available, then in addition to incrementing the nmissed count,
186 the user entry_handler invocation is also skipped.
187
188 .. _kprobes_jump_optimization:
189
190 How Does Jump Optimization Work?
191 --------------------------------
192
193 If your kernel is built with CONFIG_OPTPROBES=y (currently this flag
194 is automatically set 'y' on x86/x86-64, non-preemptive kernel) and
195 the "debug.kprobes_optimization" kernel parameter is set to 1 (see
196 sysctl(8)), Kprobes tries to reduce probe-hit overhead by using a jump
197 instruction instead of a breakpoint instruction at each probepoint.
198
199 Init a Kprobe
200 ^^^^^^^^^^^^^
201
202 When a probe is registered, before attempting this optimization,
203 Kprobes inserts an ordinary, breakpoint-based kprobe at the specified
204 address. So, even if it's not possible to optimize this particular
205 probepoint, there'll be a probe there.
206
207 Safety Check
208 ^^^^^^^^^^^^
209
210 Before optimizing a probe, Kprobes performs the following safety checks:
211
212 - Kprobes verifies that the region that will be replaced by the jump
213   instruction (the "optimized region") lies entirely within one function.
214   (A jump instruction is multiple bytes, and so may overlay multiple
215   instructions.)
216
217 - Kprobes analyzes the entire function and verifies that there is no
218   jump into the optimized region.  Specifically:
219
220   - the function contains no indirect jump;
221   - the function contains no instruction that causes an exception (since
222     the fixup code triggered by the exception could jump back into the
223     optimized region -- Kprobes checks the exception tables to verify this);
224   - there is no near jump to the optimized region (other than to the first
225     byte).
226
227 - For each instruction in the optimized region, Kprobes verifies that
228   the instruction can be executed out of line.
229
230 Preparing Detour Buffer
231 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
232
233 Next, Kprobes prepares a "detour" buffer, which contains the following
234 instruction sequence:
235
236 - code to push the CPU's registers (emulating a breakpoint trap)
237 - a call to the trampoline code which calls user's probe handlers.
238 - code to restore registers
239 - the instructions from the optimized region
240 - a jump back to the original execution path.
241
242 Pre-optimization
243 ^^^^^^^^^^^^^^^^
244
245 After preparing the detour buffer, Kprobes verifies that none of the
246 following situations exist:
247
248 - The probe has either a break_handler (i.e., it's a jprobe) or a
249   post_handler.
250 - Other instructions in the optimized region are probed.
251 - The probe is disabled.
252
253 In any of the above cases, Kprobes won't start optimizing the probe.
254 Since these are temporary situations, Kprobes tries to start
255 optimizing it again if the situation is changed.
256
257 If the kprobe can be optimized, Kprobes enqueues the kprobe to an
258 optimizing list, and kicks the kprobe-optimizer workqueue to optimize
259 it.  If the to-be-optimized probepoint is hit before being optimized,
260 Kprobes returns control to the original instruction path by setting
261 the CPU's instruction pointer to the copied code in the detour buffer
262 -- thus at least avoiding the single-step.
263
264 Optimization
265 ^^^^^^^^^^^^
266
267 The Kprobe-optimizer doesn't insert the jump instruction immediately;
268 rather, it calls synchronize_sched() for safety first, because it's
269 possible for a CPU to be interrupted in the middle of executing the
270 optimized region [3]_.  As you know, synchronize_sched() can ensure
271 that all interruptions that were active when synchronize_sched()
272 was called are done, but only if CONFIG_PREEMPT=n.  So, this version
273 of kprobe optimization supports only kernels with CONFIG_PREEMPT=n [4]_.
274
275 After that, the Kprobe-optimizer calls stop_machine() to replace
276 the optimized region with a jump instruction to the detour buffer,
277 using text_poke_smp().
278
279 Unoptimization
280 ^^^^^^^^^^^^^^
281
282 When an optimized kprobe is unregistered, disabled, or blocked by
283 another kprobe, it will be unoptimized.  If this happens before
284 the optimization is complete, the kprobe is just dequeued from the
285 optimized list.  If the optimization has been done, the jump is
286 replaced with the original code (except for an int3 breakpoint in
287 the first byte) by using text_poke_smp().
288
289 .. [3] Please imagine that the 2nd instruction is interrupted and then
290    the optimizer replaces the 2nd instruction with the jump *address*
291    while the interrupt handler is running. When the interrupt
292    returns to original address, there is no valid instruction,
293    and it causes an unexpected result.
294
295 .. [4] This optimization-safety checking may be replaced with the
296    stop-machine method that ksplice uses for supporting a CONFIG_PREEMPT=y
297    kernel.
298
299 NOTE for geeks:
300 The jump optimization changes the kprobe's pre_handler behavior.
301 Without optimization, the pre_handler can change the kernel's execution
302 path by changing regs->ip and returning 1.  However, when the probe
303 is optimized, that modification is ignored.  Thus, if you want to
304 tweak the kernel's execution path, you need to suppress optimization,
305 using one of the following techniques:
306
307 - Specify an empty function for the kprobe's post_handler or break_handler.
308
309 or
310
311 - Execute 'sysctl -w debug.kprobes_optimization=n'
312
313 .. _kprobes_blacklist:
314
315 Blacklist
316 ---------
317
318 Kprobes can probe most of the kernel except itself. This means
319 that there are some functions where kprobes cannot probe. Probing
320 (trapping) such functions can cause a recursive trap (e.g. double
321 fault) or the nested probe handler may never be called.
322 Kprobes manages such functions as a blacklist.
323 If you want to add a function into the blacklist, you just need
324 to (1) include linux/kprobes.h and (2) use NOKPROBE_SYMBOL() macro
325 to specify a blacklisted function.
326 Kprobes checks the given probe address against the blacklist and
327 rejects registering it, if the given address is in the blacklist.
328
329 .. _kprobes_archs_supported:
330
331 Architectures Supported
332 =======================
333
334 Kprobes, jprobes, and return probes are implemented on the following
335 architectures:
336
337 - i386 (Supports jump optimization)
338 - x86_64 (AMD-64, EM64T) (Supports jump optimization)
339 - ppc64
340 - ia64 (Does not support probes on instruction slot1.)
341 - sparc64 (Return probes not yet implemented.)
342 - arm
343 - ppc
344 - mips
345 - s390
346
347 Configuring Kprobes
348 ===================
349
350 When configuring the kernel using make menuconfig/xconfig/oldconfig,
351 ensure that CONFIG_KPROBES is set to "y". Under "General setup", look
352 for "Kprobes".
353
354 So that you can load and unload Kprobes-based instrumentation modules,
355 make sure "Loadable module support" (CONFIG_MODULES) and "Module
356 unloading" (CONFIG_MODULE_UNLOAD) are set to "y".
357
358 Also make sure that CONFIG_KALLSYMS and perhaps even CONFIG_KALLSYMS_ALL
359 are set to "y", since kallsyms_lookup_name() is used by the in-kernel
360 kprobe address resolution code.
361
362 If you need to insert a probe in the middle of a function, you may find
363 it useful to "Compile the kernel with debug info" (CONFIG_DEBUG_INFO),
364 so you can use "objdump -d -l vmlinux" to see the source-to-object
365 code mapping.
366
367 API Reference
368 =============
369
370 The Kprobes API includes a "register" function and an "unregister"
371 function for each type of probe. The API also includes "register_*probes"
372 and "unregister_*probes" functions for (un)registering arrays of probes.
373 Here are terse, mini-man-page specifications for these functions and
374 the associated probe handlers that you'll write. See the files in the
375 samples/kprobes/ sub-directory for examples.
376
377 register_kprobe
378 ---------------
379
380 ::
381
382         #include <linux/kprobes.h>
383         int register_kprobe(struct kprobe *kp);
384
385 Sets a breakpoint at the address kp->addr.  When the breakpoint is
386 hit, Kprobes calls kp->pre_handler.  After the probed instruction
387 is single-stepped, Kprobe calls kp->post_handler.  If a fault
388 occurs during execution of kp->pre_handler or kp->post_handler,
389 or during single-stepping of the probed instruction, Kprobes calls
390 kp->fault_handler.  Any or all handlers can be NULL. If kp->flags
391 is set KPROBE_FLAG_DISABLED, that kp will be registered but disabled,
392 so, its handlers aren't hit until calling enable_kprobe(kp).
393
394 .. note::
395
396    1. With the introduction of the "symbol_name" field to struct kprobe,
397       the probepoint address resolution will now be taken care of by the kernel.
398       The following will now work::
399
400         kp.symbol_name = "symbol_name";
401
402       (64-bit powerpc intricacies such as function descriptors are handled
403       transparently)
404
405    2. Use the "offset" field of struct kprobe if the offset into the symbol
406       to install a probepoint is known. This field is used to calculate the
407       probepoint.
408
409    3. Specify either the kprobe "symbol_name" OR the "addr". If both are
410       specified, kprobe registration will fail with -EINVAL.
411
412    4. With CISC architectures (such as i386 and x86_64), the kprobes code
413       does not validate if the kprobe.addr is at an instruction boundary.
414       Use "offset" with caution.
415
416 register_kprobe() returns 0 on success, or a negative errno otherwise.
417
418 User's pre-handler (kp->pre_handler)::
419
420         #include <linux/kprobes.h>
421         #include <linux/ptrace.h>
422         int pre_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs);
423
424 Called with p pointing to the kprobe associated with the breakpoint,
425 and regs pointing to the struct containing the registers saved when
426 the breakpoint was hit.  Return 0 here unless you're a Kprobes geek.
427
428 User's post-handler (kp->post_handler)::
429
430         #include <linux/kprobes.h>
431         #include <linux/ptrace.h>
432         void post_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs,
433                           unsigned long flags);
434
435 p and regs are as described for the pre_handler.  flags always seems
436 to be zero.
437
438 User's fault-handler (kp->fault_handler)::
439
440         #include <linux/kprobes.h>
441         #include <linux/ptrace.h>
442         int fault_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, int trapnr);
443
444 p and regs are as described for the pre_handler.  trapnr is the
445 architecture-specific trap number associated with the fault (e.g.,
446 on i386, 13 for a general protection fault or 14 for a page fault).
447 Returns 1 if it successfully handled the exception.
448
449 register_jprobe
450 ---------------
451
452 ::
453
454         #include <linux/kprobes.h>
455         int register_jprobe(struct jprobe *jp)
456
457 Sets a breakpoint at the address jp->kp.addr, which must be the address
458 of the first instruction of a function.  When the breakpoint is hit,
459 Kprobes runs the handler whose address is jp->entry.
460
461 The handler should have the same arg list and return type as the probed
462 function; and just before it returns, it must call jprobe_return().
463 (The handler never actually returns, since jprobe_return() returns
464 control to Kprobes.)  If the probed function is declared asmlinkage
465 or anything else that affects how args are passed, the handler's
466 declaration must match.
467
468 register_jprobe() returns 0 on success, or a negative errno otherwise.
469
470 register_kretprobe
471 ------------------
472
473 ::
474
475         #include <linux/kprobes.h>
476         int register_kretprobe(struct kretprobe *rp);
477
478 Establishes a return probe for the function whose address is
479 rp->kp.addr.  When that function returns, Kprobes calls rp->handler.
480 You must set rp->maxactive appropriately before you call
481 register_kretprobe(); see "How Does a Return Probe Work?" for details.
482
483 register_kretprobe() returns 0 on success, or a negative errno
484 otherwise.
485
486 User's return-probe handler (rp->handler)::
487
488         #include <linux/kprobes.h>
489         #include <linux/ptrace.h>
490         int kretprobe_handler(struct kretprobe_instance *ri,
491                               struct pt_regs *regs);
492
493 regs is as described for kprobe.pre_handler.  ri points to the
494 kretprobe_instance object, of which the following fields may be
495 of interest:
496
497 - ret_addr: the return address
498 - rp: points to the corresponding kretprobe object
499 - task: points to the corresponding task struct
500 - data: points to per return-instance private data; see "Kretprobe
501         entry-handler" for details.
502
503 The regs_return_value(regs) macro provides a simple abstraction to
504 extract the return value from the appropriate register as defined by
505 the architecture's ABI.
506
507 The handler's return value is currently ignored.
508
509 unregister_*probe
510 ------------------
511
512 ::
513
514         #include <linux/kprobes.h>
515         void unregister_kprobe(struct kprobe *kp);
516         void unregister_jprobe(struct jprobe *jp);
517         void unregister_kretprobe(struct kretprobe *rp);
518
519 Removes the specified probe.  The unregister function can be called
520 at any time after the probe has been registered.
521
522 .. note::
523
524    If the functions find an incorrect probe (ex. an unregistered probe),
525    they clear the addr field of the probe.
526
527 register_*probes
528 ----------------
529
530 ::
531
532         #include <linux/kprobes.h>
533         int register_kprobes(struct kprobe **kps, int num);
534         int register_kretprobes(struct kretprobe **rps, int num);
535         int register_jprobes(struct jprobe **jps, int num);
536
537 Registers each of the num probes in the specified array.  If any
538 error occurs during registration, all probes in the array, up to
539 the bad probe, are safely unregistered before the register_*probes
540 function returns.
541
542 - kps/rps/jps: an array of pointers to ``*probe`` data structures
543 - num: the number of the array entries.
544
545 .. note::
546
547    You have to allocate(or define) an array of pointers and set all
548    of the array entries before using these functions.
549
550 unregister_*probes
551 ------------------
552
553 ::
554
555         #include <linux/kprobes.h>
556         void unregister_kprobes(struct kprobe **kps, int num);
557         void unregister_kretprobes(struct kretprobe **rps, int num);
558         void unregister_jprobes(struct jprobe **jps, int num);
559
560 Removes each of the num probes in the specified array at once.
561
562 .. note::
563
564    If the functions find some incorrect probes (ex. unregistered
565    probes) in the specified array, they clear the addr field of those
566    incorrect probes. However, other probes in the array are
567    unregistered correctly.
568
569 disable_*probe
570 --------------
571
572 ::
573
574         #include <linux/kprobes.h>
575         int disable_kprobe(struct kprobe *kp);
576         int disable_kretprobe(struct kretprobe *rp);
577         int disable_jprobe(struct jprobe *jp);
578
579 Temporarily disables the specified ``*probe``. You can enable it again by using
580 enable_*probe(). You must specify the probe which has been registered.
581
582 enable_*probe
583 -------------
584
585 ::
586
587         #include <linux/kprobes.h>
588         int enable_kprobe(struct kprobe *kp);
589         int enable_kretprobe(struct kretprobe *rp);
590         int enable_jprobe(struct jprobe *jp);
591
592 Enables ``*probe`` which has been disabled by disable_*probe(). You must specify
593 the probe which has been registered.
594
595 Kprobes Features and Limitations
596 ================================
597
598 Kprobes allows multiple probes at the same address.  Currently,
599 however, there cannot be multiple jprobes on the same function at
600 the same time.  Also, a probepoint for which there is a jprobe or
601 a post_handler cannot be optimized.  So if you install a jprobe,
602 or a kprobe with a post_handler, at an optimized probepoint, the
603 probepoint will be unoptimized automatically.
604
605 In general, you can install a probe anywhere in the kernel.
606 In particular, you can probe interrupt handlers.  Known exceptions
607 are discussed in this section.
608
609 The register_*probe functions will return -EINVAL if you attempt
610 to install a probe in the code that implements Kprobes (mostly
611 kernel/kprobes.c and ``arch/*/kernel/kprobes.c``, but also functions such
612 as do_page_fault and notifier_call_chain).
613
614 If you install a probe in an inline-able function, Kprobes makes
615 no attempt to chase down all inline instances of the function and
616 install probes there.  gcc may inline a function without being asked,
617 so keep this in mind if you're not seeing the probe hits you expect.
618
619 A probe handler can modify the environment of the probed function
620 -- e.g., by modifying kernel data structures, or by modifying the
621 contents of the pt_regs struct (which are restored to the registers
622 upon return from the breakpoint).  So Kprobes can be used, for example,
623 to install a bug fix or to inject faults for testing.  Kprobes, of
624 course, has no way to distinguish the deliberately injected faults
625 from the accidental ones.  Don't drink and probe.
626
627 Kprobes makes no attempt to prevent probe handlers from stepping on
628 each other -- e.g., probing printk() and then calling printk() from a
629 probe handler.  If a probe handler hits a probe, that second probe's
630 handlers won't be run in that instance, and the kprobe.nmissed member
631 of the second probe will be incremented.
632
633 As of Linux v2.6.15-rc1, multiple handlers (or multiple instances of
634 the same handler) may run concurrently on different CPUs.
635
636 Kprobes does not use mutexes or allocate memory except during
637 registration and unregistration.
638
639 Probe handlers are run with preemption disabled.  Depending on the
640 architecture and optimization state, handlers may also run with
641 interrupts disabled (e.g., kretprobe handlers and optimized kprobe
642 handlers run without interrupt disabled on x86/x86-64).  In any case,
643 your handler should not yield the CPU (e.g., by attempting to acquire
644 a semaphore).
645
646 Since a return probe is implemented by replacing the return
647 address with the trampoline's address, stack backtraces and calls
648 to __builtin_return_address() will typically yield the trampoline's
649 address instead of the real return address for kretprobed functions.
650 (As far as we can tell, __builtin_return_address() is used only
651 for instrumentation and error reporting.)
652
653 If the number of times a function is called does not match the number
654 of times it returns, registering a return probe on that function may
655 produce undesirable results. In such a case, a line:
656 kretprobe BUG!: Processing kretprobe d000000000041aa8 @ c00000000004f48c
657 gets printed. With this information, one will be able to correlate the
658 exact instance of the kretprobe that caused the problem. We have the
659 do_exit() case covered. do_execve() and do_fork() are not an issue.
660 We're unaware of other specific cases where this could be a problem.
661
662 If, upon entry to or exit from a function, the CPU is running on
663 a stack other than that of the current task, registering a return
664 probe on that function may produce undesirable results.  For this
665 reason, Kprobes doesn't support return probes (or kprobes or jprobes)
666 on the x86_64 version of __switch_to(); the registration functions
667 return -EINVAL.
668
669 On x86/x86-64, since the Jump Optimization of Kprobes modifies
670 instructions widely, there are some limitations to optimization. To
671 explain it, we introduce some terminology. Imagine a 3-instruction
672 sequence consisting of a two 2-byte instructions and one 3-byte
673 instruction.
674
675 ::
676
677                 IA
678                 |
679         [-2][-1][0][1][2][3][4][5][6][7]
680                 [ins1][ins2][  ins3 ]
681                 [<-     DCR       ->]
682                 [<- JTPR ->]
683
684         ins1: 1st Instruction
685         ins2: 2nd Instruction
686         ins3: 3rd Instruction
687         IA:  Insertion Address
688         JTPR: Jump Target Prohibition Region
689         DCR: Detoured Code Region
690
691 The instructions in DCR are copied to the out-of-line buffer
692 of the kprobe, because the bytes in DCR are replaced by
693 a 5-byte jump instruction. So there are several limitations.
694
695 a) The instructions in DCR must be relocatable.
696 b) The instructions in DCR must not include a call instruction.
697 c) JTPR must not be targeted by any jump or call instruction.
698 d) DCR must not straddle the border between functions.
699
700 Anyway, these limitations are checked by the in-kernel instruction
701 decoder, so you don't need to worry about that.
702
703 Probe Overhead
704 ==============
705
706 On a typical CPU in use in 2005, a kprobe hit takes 0.5 to 1.0
707 microseconds to process.  Specifically, a benchmark that hits the same
708 probepoint repeatedly, firing a simple handler each time, reports 1-2
709 million hits per second, depending on the architecture.  A jprobe or
710 return-probe hit typically takes 50-75% longer than a kprobe hit.
711 When you have a return probe set on a function, adding a kprobe at
712 the entry to that function adds essentially no overhead.
713
714 Here are sample overhead figures (in usec) for different architectures::
715
716   k = kprobe; j = jprobe; r = return probe; kr = kprobe + return probe
717   on same function; jr = jprobe + return probe on same function::
718
719   i386: Intel Pentium M, 1495 MHz, 2957.31 bogomips
720   k = 0.57 usec; j = 1.00; r = 0.92; kr = 0.99; jr = 1.40
721
722   x86_64: AMD Opteron 246, 1994 MHz, 3971.48 bogomips
723   k = 0.49 usec; j = 0.76; r = 0.80; kr = 0.82; jr = 1.07
724
725   ppc64: POWER5 (gr), 1656 MHz (SMT disabled, 1 virtual CPU per physical CPU)
726   k = 0.77 usec; j = 1.31; r = 1.26; kr = 1.45; jr = 1.99
727
728 Optimized Probe Overhead
729 ------------------------
730
731 Typically, an optimized kprobe hit takes 0.07 to 0.1 microseconds to
732 process. Here are sample overhead figures (in usec) for x86 architectures::
733
734   k = unoptimized kprobe, b = boosted (single-step skipped), o = optimized kprobe,
735   r = unoptimized kretprobe, rb = boosted kretprobe, ro = optimized kretprobe.
736
737   i386: Intel(R) Xeon(R) E5410, 2.33GHz, 4656.90 bogomips
738   k = 0.80 usec; b = 0.33; o = 0.05; r = 1.10; rb = 0.61; ro = 0.33
739
740   x86-64: Intel(R) Xeon(R) E5410, 2.33GHz, 4656.90 bogomips
741   k = 0.99 usec; b = 0.43; o = 0.06; r = 1.24; rb = 0.68; ro = 0.30
742
743 TODO
744 ====
745
746 a. SystemTap (http://sourceware.org/systemtap): Provides a simplified
747    programming interface for probe-based instrumentation.  Try it out.
748 b. Kernel return probes for sparc64.
749 c. Support for other architectures.
750 d. User-space probes.
751 e. Watchpoint probes (which fire on data references).
752
753 Kprobes Example
754 ===============
755
756 See samples/kprobes/kprobe_example.c
757
758 Jprobes Example
759 ===============
760
761 See samples/kprobes/jprobe_example.c
762
763 Kretprobes Example
764 ==================
765
766 See samples/kprobes/kretprobe_example.c
767
768 For additional information on Kprobes, refer to the following URLs:
769
770 - http://www-106.ibm.com/developerworks/library/l-kprobes.html?ca=dgr-lnxw42Kprobe
771 - http://www.redhat.com/magazine/005mar05/features/kprobes/
772 - http://www-users.cs.umn.edu/~boutcher/kprobes/
773 - http://www.linuxsymposium.org/2006/linuxsymposium_procv2.pdf (pages 101-115)
774
775
776 The kprobes debugfs interface
777 =============================
778
779
780 With recent kernels (> 2.6.20) the list of registered kprobes is visible
781 under the /sys/kernel/debug/kprobes/ directory (assuming debugfs is mounted at //sys/kernel/debug).
782
783 /sys/kernel/debug/kprobes/list: Lists all registered probes on the system::
784
785         c015d71a  k  vfs_read+0x0
786         c011a316  j  do_fork+0x0
787         c03dedc5  r  tcp_v4_rcv+0x0
788
789 The first column provides the kernel address where the probe is inserted.
790 The second column identifies the type of probe (k - kprobe, r - kretprobe
791 and j - jprobe), while the third column specifies the symbol+offset of
792 the probe. If the probed function belongs to a module, the module name
793 is also specified. Following columns show probe status. If the probe is on
794 a virtual address that is no longer valid (module init sections, module
795 virtual addresses that correspond to modules that've been unloaded),
796 such probes are marked with [GONE]. If the probe is temporarily disabled,
797 such probes are marked with [DISABLED]. If the probe is optimized, it is
798 marked with [OPTIMIZED]. If the probe is ftrace-based, it is marked with
799 [FTRACE].
800
801 /sys/kernel/debug/kprobes/enabled: Turn kprobes ON/OFF forcibly.
802
803 Provides a knob to globally and forcibly turn registered kprobes ON or OFF.
804 By default, all kprobes are enabled. By echoing "0" to this file, all
805 registered probes will be disarmed, till such time a "1" is echoed to this
806 file. Note that this knob just disarms and arms all kprobes and doesn't
807 change each probe's disabling state. This means that disabled kprobes (marked
808 [DISABLED]) will be not enabled if you turn ON all kprobes by this knob.
809
810
811 The kprobes sysctl interface
812 ============================
813
814 /proc/sys/debug/kprobes-optimization: Turn kprobes optimization ON/OFF.
815
816 When CONFIG_OPTPROBES=y, this sysctl interface appears and it provides
817 a knob to globally and forcibly turn jump optimization (see section
818 :ref:`kprobes_jump_optimization`) ON or OFF. By default, jump optimization
819 is allowed (ON). If you echo "0" to this file or set
820 "debug.kprobes_optimization" to 0 via sysctl, all optimized probes will be
821 unoptimized, and any new probes registered after that will not be optimized.
822
823 Note that this knob *changes* the optimized state. This means that optimized
824 probes (marked [OPTIMIZED]) will be unoptimized ([OPTIMIZED] tag will be
825 removed). If the knob is turned on, they will be optimized again.
826