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libbpf-bootstrap安卓aarch64适配交叉编译

1.为什么移植

疑惑

起初我也认为,像libbpf-bootstrap这样在ebpf程序开发中很常用的框架,理应支持不同架构的交叉编译。尤其是向内核态的ebpf程序本身就是直接通过clang的-target btf直接生成字节码,各个内核上的ebpf虚拟机大同小异,对于字节码大概率是兼容的。那么问题就落在用户态程序生成上面。

加载器

由于libbpf-bootstrap框架使用bpftools将xxx.bpf.c生成为xxx.skel.h再注入到用户态xx.c程序当中,因此,用户态程序本身就是字节码的加载器。基于安卓的ebpf开发也有不少前辈探索过,如下图

图源:eBPF on Android之stackplz从0到1 - SeeFlowerX ps:强推他的安卓package用户态程序堆栈追踪工具,我的不少灵感也来自于他的开发过程,在此谢过SeeFlowerX前辈了。

最终他选择的解决方案是golang的ebpf生态,交叉编译相当方便。但我面临的是性能的需要,我还是打算折腾一下纯C的开发生态,但是AOSP又实在太过庞大,且面临API变动会使我们很头疼。

2.使用方法

准备

  • Android NDK
  • gcc-aarch64-linux-gnu
  • Android phone with root and unlock BL

安装依赖

git clone https://github.com/JiaHuann/libbpf-bootstrap-android
cd libbpf-bootstrap-android
sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu llvm clang
wget https://dl.google.com/android/repository/android-ndk-r25c-linux.zip?hl=zh-cn android-ndk-r25c-linux.zip
unzip android-ndk-r25c-linux

设置环境变量

vim ~/.bashrc
export your android-ndk-r25c/toolchains/llvm/prebuilt/linux-x86_64/bin to PATH

编译和推送

cd examples/c && makeadb devices
adb remount     # may fail, you can leave with issure.
adb push examples/c/btf_file/* example/c/your_executable_file /data/local/tmp
adb shell    #into android kernel shell

安卓shell操作

cd /data/local/tmp && chmod +x your_excutable_file
./run
Congratulations!

运行效果如下:

 资料直通车:Linux内核源码技术学习路线+视频教程内核源码

学习直通车:Linux内核源码内存调优文件系统进程管理设备驱动/网络协议栈

3.针对安卓的特性

  • libelf,libz on aarch64 embedded.
  • x86 -> android13(aarch64) cross-compile you can directly write ebpf both kernel-program and user-program on x86 machine.
  • FlameGraph embedded to monitor performance.
  • For None BTF/vmlinux android-kernel(CONFIG_DEBUG_INFO_BTF not set) support.
  • adb debug (after compiling&linking, directly push into android-phone) embedded.

4.移植过程

寻找方案

于是我继续折腾libbpf-bootstrap的交叉编译,好巧不巧,在How to cross-compile programs from amd64 to arm64 · Issue #144 · libbpf/libbpf-bootstrap · GitHub这个issure中也发现了这个问题,显然,直到现在还是open状态,给出的maintainer给出的方案是

Yes, libbpf depends on libelf and libz, so you need declare where the libraries and header files can be found. such as,  make EXTRA_CFLAGS="-IXXX" EXTRA_LDFLAGS="-LXXX" ARCH=arm64. You can get a copy of these libraries from here for quickly verification if you don't want to cross-compile them yourself.

我寻思着也可行,但是几经折腾后我发现了很多问题:

  • Android NDK在r17已经宣称不支持gcc,在r18已经删掉,最新版的r25只有clang,在使用NDK交叉编译时会遇到一堆莫名其妙的问题。
  • 我的开发机并没有打开CONFIG_DEBUG_BTF_INFO,但是为了方便我想引入外部BTF file,但是有些目录在android kernel并不可写。

解决

最终我在本地几经尝试交叉编译出了libbpf依赖的libelf以及libz,很有趣的是在编译的过程中我使用aarch64-linux-gnu竟然编出来的依赖竟然可以用。在libbpf-bootstrap中,想到用户态程序可能也没有太多编译上的新特性,于是我继续使用aarch64-linux-gnu交叉编译,果然还是可行。最终,aarch64的可执行文件还是编译了出来。

为了优化大家的开发速度,和不再折腾这个过程,我将所有的细节,依赖都合并了起来,并且修改了libbpf源码加入了外部BTF文件路径,且在repo中放入了一个a13-5.10的btf 文件,我写定了路径为/data/local/tmp,push到这里就可以使用。关于这个btf版本问题,我的内核是5.4但是目前使用起来尚未发现问题。GitHub - JiaHuann/libbpf-bootstrap-android: Do something to fit android aarch64 to develop ebpf programs using libbpf-bootstrap framework

至此,可以ebpf程序源码可以无需任何改动就运行在安卓kernel(当然有一些kernel版本决定的特性和api还是会限制的,这个与是否交叉编译运行无关)

PS:当初为了验证是否可行,全是草率的静态链接的,生成的可执行文件可能会有点大,后续即将马上修改为动态链接。

当然,如果有条件还是使用arm虚拟机或者qemu开发吧,交叉编译确实不好折腾: (当我还在折腾的时候我同学的mac已经能run了

原文作者:Linux内核之旅

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