golang uretprobe的崩溃与模拟实现
前言
在eCapture最初支持golang的https明文捕获时，是不支持request\response完整的匹配的。这点不同于C语言编写的程序，是因为golang的uretprobe类型钩子有个较为致命的bug，会导致被挂载进程崩溃，这问题在BCC社区也有讨论过：Go crash with uretprobe #1320， 火焰图作者brendangregg也提到，在他的一篇博客里，用户评论如下：
Another problem I ran into: the uretprobe seems to place the return probes by modifying the stack, which is in conflict with how Go manages stack (stacks in Go can grow/shrink at anytime, it does so by copying entire stack to a new larger area, adjusting the pointers in the stack to point to new area etc). So if we are doing a uretprobe, and stack happens to grow (or shrink) at that time, it can lead Go runtime panics. Please see here for an example panic message:go.stp#L32-L58
也就是说
uretprobe似乎通过修改堆栈来放置返回探针，这与Go管理堆栈的方式冲突（Go中的堆栈可以在任何时候增长/缩小，它通过将整个堆栈复制到一个新的较大区域，调整堆栈中的指针以指向新区域等方式实现）。因此，如果我们正在进行uretprobe操作，并且堆栈在此期间发生增长（或缩小），它可能导致Go运行时发生错误。请参阅此处的示例错误消息：go.stp#L32-L58
亲自验证
是的，笔者在为eCapture增加go tls的明文捕获时，也是attach到Go 函数的uretprobe上，结果自然是，被挂载的进程崩溃了。经过漫长的debug、查资料，终于有点眉目。这其实跟Golang的runtime、寄存器等实现机制有关，我写了一个DEMO，验证一番。
这个DEMO是我在5月初写的，期间一直想写篇简单的文章给大家介绍一下，奈何太忙了，接着这次出差的机会，周末整理一下，分享给大家。时间相隔太久，可能很多细节都忘记了，笔者水平有限，如有错误，欢迎指出。
golang uretprobe冲突
话不多说，Go程序崩溃的核心原因为Go的栈在runtime管理时，被插入了异常的内存地址。Go中常见的堆栈变化为协程goroutine的创建与销毁。栈内 被插入异常内存地址是因为eBPF的实现机制是向函数的返回地址前，插入了断点指令（i386和x86_64是INT3）。 两个条件的叠加，就出现了这个错误。
那么重现起来也比较简单，写一个协程goroutine数量不停变化的程序，并使用eBPF uretprobe挂载上去即可。
案例演示
被HOOK的测试代码
package main
import (
"flag"
"fmt"
"time"
)
//go:noinline
func recursion(level, maxLevel int) int {
if level > maxLevel {
return level
}
return recursion(level+1, maxLevel)
}
//go:noinline
func NewTestFunc() int {
//nothing
print("NewTestFunc\n")
return 100
}
// uretprobe挂载的目标函数
//
//go:noinline
func CountCC(maxLevel int) (a int) {
a = NewTestFunc()
fmt.Println(a)
if a > 100 {
return a
}
a = recursion(0, maxLevel)
fmt.Printf("CountCC return :%d\n", a)
return a
}
func main() {
var maxLevel = flag.Int("l", 100, "max recursion level")
flag.Parse()
for {
go CountCC(*maxLevel)
time.Sleep(time.Second)
}
}
被挂载的函数是CountCC，他的返回值应该是101，这段代码被Go编译后，CountCC在符号表里名字是main.CountCC，这个就是eBPF挂载的函数名。 要注意，在代码里务必使用go:noline语法来让Go编译器不要对这段代码进行内联inline，否则编译后的可执行文件中，符号表内就找不到main.CountCC函数了。
执行挂载动作的代码
内核空间代码：
SEC("uretprobe/countcc")
int uretprobe_countcc(struct pt_regs *ctx)
{
bpf_printk("new countCC[RET] detected\n");
return 0;
};其中SEC的参数uretprobe/countcc在编译为ebpf字节码后，会被用户空间程序读取，关联到uretprobe_countcc这个符号上。
用户空间代码：
执行挂载动作的代码，也很好实现，使用笔者的golang eBPF管理SDK ebpfmanager，只需要几行代码，以下为用户空间程序：
const COUNT_CC_SYMBOL = "main.CountCC"
var sec = "uretprobe/countcc"
var ebpfFunc = "uretprobe_countcc"
var m = &manager.Manager{
Probes: []*manager.Probe{
{
Section: sec,
EbpfFuncName: ebpfFunc,
AttachToFuncName: COUNT_CC_SYMBOL,
BinaryPath: goAppPath,
},
},
}
// Initialize the manager
buf, err := Asset("/probe.o")
if err != nil {
log.Fatal(errors.New(fmt.Sprintf("error:%v , couldn't find asset", err)))
}
if err = m.Init(bytes.NewReader(buf)); err != nil {
log.Fatal(err)
}
// Start the manager
if err = m.Start(); err != nil {
log.Fatal(err)
}挂载类型uretprobe/countCC，被Go的eBPF类库解析为uretprobe类型程序。挂载的eBPF执行函数为uretprobe_countcc，挂载目标符号为main.CountCC。
执行重现
编译后，观测程序是main，被观测程序是demo。
bin/main
启动被观测程序bin/demo
崩溃栈信息
可以看到被观测程序立刻崩溃，崩溃的信息如下：
bin/demo
NewTestFunc
100
runtime: unexpected return pc for main.CountCC called from 0x7fffffffe000
stack: frame={sp:0xc000069f50, fp:0xc000069fc8} stack=[0xc000069000,0xc00006a000)
0x000000c000069e50: 0x000000c0000560d8 0x000000c0000140b8
0x000000c000069e60: 0x000000c000069e80 0x000000000048802b <main.recursion+0x000000000000002b>
0x000000c000069e70: 0x000000000047a0a0 <internal/poll.(*FD).Write.func1+0x0000000000000000> 0x000000c0000560c0
0x000000c000069e80: 0x000000c000069ea0 0x000000000048802b <main.recursion+0x000000000000002b>
0x000000c000069e90: 0x0000000000468efe <sync.(*Pool).pin+0x000000000000001e> 0x000000c0000560c0
0x000000c000069ea0: 0x000000c000069ec0 0x000000000048802b <main.recursion+0x000000000000002b>
0x000000c000069eb0: 0x000000000052e3c0 0x0000000000000000
0x000000c000069ec0: 0x000000c000069ee0 0x000000000048802b <main.recursion+0x000000000000002b>
0x000000c000069ed0: 0x000000000047d76a <fmt.(*pp).free+0x00000000000000ca> 0x000000000052e3c0
0x000000c000069ee0: 0x000000c000069f00 0x000000000048802b <main.recursion+0x000000000000002b>
0x000000c000069ef0: 0x000000c000036740 0x000000000047dc4e <fmt.Fprintln+0x000000000000008e>
0x000000c000069f00: 0x000000c000069f20 0x000000000048802b <main.recursion+0x000000000000002b>
0x000000c000069f10: 0x0000000000000004 0x000000000000000c
0x000000c000069f20: 0x000000c000069f40 0x000000000048802b <main.recursion+0x000000000000002b>
0x000000c000069f30: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x000000c000069f40: 0x000000c000069fb8 0x0000000000488147 <main.CountCC+0x0000000000000087>
0x000000c000069f50: <0x00000000004c0798 0x000000c00000e018
0x000000c000069f60: 0x000000c0000367a8 0x0000000000000001
0x000000c000069f70: 0x0000000000000001 0x0000000000000000
0x000000c000069f80: 0x0000000000000000 0x0000000000000064
0x000000c000069f90: 0x0000000000000064 0x0000000000000000
0x000000c000069fa0: 0x0000000000000000 0x0000000000490180
0x000000c000069fb0: 0x0000000000528bc0 0x000000c0000367d0
0x000000c000069fc0: !0x00007fffffffe000 >0x0000000000000000
0x000000c000069fd0: 0x0000000000000000 0x000000000045bd81 <runtime.goexit+0x0000000000000001>
0x000000c000069fe0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x000000c000069ff0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
fatal error: unknown caller pc
runtime stack:
runtime.throw({0x4a2fba?, 0x522940?})
/usr/local/go1.18.8/go/src/runtime/panic.go:992 +0x71
runtime.gentraceback(0x423d45?, 0x7f46d2dc2fff?, 0x1?, 0x400?, 0x0, 0x0, 0x7fffffff, 0x4a92e0, 0x7f46d2dc2fff?, 0x0)
/usr/local/go1.18.8/go/src/runtime/traceback.go:258 +0x1c2a
runtime.copystack(0xc000003860, 0x800000002?)
/usr/local/go1.18.8/go/src/runtime/stack.go:930 +0x2f5
runtime.newstack()
/usr/local/go1.18.8/go/src/runtime/stack.go:1110 +0x497
runtime.morestack()
/usr/local/go1.18.8/go/src/runtime/asm_amd64.s:547 +0x8b其中致命的错误信息是fatal error: unknown caller pc，是的，重现了。
Go程序uretprobe挂载解决方案
冲突点
正如前文所说，这是golang 协程收缩容，导致stack变动， int3指令执行后，添加到stack中，破坏原来的栈，执行报错。如何解决这个问题呢，在之前的issue里，有人提了一个用uprobe模拟uretprobe的思路。
给定一个Golang二进制文件，解析ELF符号表并获取我们想要跟踪的符号的地址。如果需要，在该地址附加一个uprobes。
不要将uretprobe附加到符号地址，而是从该地址开始读取ELF文本部分，并解码汇编指令，直到达到符号的结束。在扫描过程中，在每个返回过程的指令（例如对于x86-64，RETN指令，操作码为0xC2和0xC3）处放置一个uprobes。对于我感兴趣的符号，通常只有很少的RET指令，大约在1到5个范围内，这是合理的。
当在上述点安装的任一uprobes触发时，实际上就像我们执行了一个uretprobe一样，除了我们没有干扰堆栈，因此当Go运行时移动堆栈时，解决方案足够稳健以避免崩溃（至少看起来是这样）。而且，由于uprobes恰好放置在RET指令之前，栈指针已经方便地放置在帧的开头，因此我们可以轻松访问输入参数和返回值，因为它们在Go中都存储在栈上。
评论者还提到，这种方法具有一些轻微的性能优势，因为我们避免了uretprobe的开销。但缺点是我们现在必须在用户空间中解码ELF文件的汇编指令，所以相比标准的替代方案要麻烦得多，而且，无法使用BCC之类工具，只能自己实现eBPF程序。
Go函数的RET偏移地址
这可难不到我，笔者一直不太用BCC，更喜欢自己写eBPF程序。实现起来也很简单，只需要按照DWARF Debugging Standard规范，读取Golang的ELF文件，查找符号表内对应main.CountCC函数对应符号的汇编指令，并按照X86格式解析，循环判断是否为RET，并记录当前指令在整个函数符号的偏移地址即可。
goElf, err = elf.Open(elfPath)
// ...
goSymbs, err = goElf.Symbols()
// ...
var found bool
var symbol elf.Symbol
for _, s := range goSymbs {
if s.Name == symbolName {
symbol = s
found = true
break
}
}
section := goElf.Sections[symbol.Section]
var elfText []byte
elfText, err = section.Data()
// ...
start := symbol.Value - section.Addr
end := start + symbol.Size
var instHex []byte
instHex = elfText[start:end]
for i := 0; i < len(instHex); {
inst, err := x86asm.Decode(instHex[i:], 64)
// ...
if inst.Op == x86asm.RET {
offsets = append(offsets, i)
}
i += inst.Len
}内核空间程序
因为是用uprobe来模拟uretprobe，eBPF内核代码肯定要调整的了，为了要验证能否拿到返回值，这里也增加了返回值的获取。
SEC("uprobe/countcc")
int uprobe_countcc(struct pt_regs *ctx)
{
bpf_printk("new countCC detected\n");
int num;
num = (int)GO_PARAM1(ctx);
bpf_printk("countCC :: num:%d, ret_num:%d\n", num);
return 0;
};可以看到，这里新增一个函数uprobe_countcc，将用于用户空间的eBPF执行函数。
用户空间程序调整
经过ELF文件分析，将RET指令的偏移地址保存到offsets中，在用户空间挂载到函数的偏移位置上：
sec = "uprobe/countcc"
ebpfFunc = "uprobe_countcc"
m.Probes = m.Probes[:0] // 清空slice
for _, offset := range offsets {
m.Probes = append(m.Probes,
&manager.Probe{
Section: sec,
UprobeOffset: uint64(offset),
EbpfFuncName: ebpfFunc,
AttachToFuncName: COUNT_CC_SYMBOL,
BinaryPath: goAppPath,
UID: fmt.Sprintf("%s_%d", ebpfFunc, offset),
})
}可以看到Section改成了uprobe/countcc， 并挂载到内核函数uprobe_countcc上。以及新增 UprobeOffset字段，并设定offset，这样就实现自动的uprobe偏移量挂载。（PS：你就说，笔者的 ebpfmanager方便不方便吧）
模拟验证
按照之前的步骤，先启动观测程序，打开内核调试的日志，再启动被观测程序：
启动观测程序，bin/main -e，这里多了-e参数，来使用模拟模式。
打开内核调试日志，方便观察是否能拿到main.CountCC函数的返回值，命令为cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe。
启动被观测程序，bin/demo
观测程序
观测程序启动后，可以看到终端日志中，搜索到两处RET指令，并分别进行uprobe`挂载。
root@vm-server-2004:/home/cfc4n/project/go_uretprobe_demo# bin/main -e
2023/06/11 23:49:18 Github repo : https://github.com/cfc4n/go_uretprobe_demo
2023/06/11 23:49:18 Use uprobe+offset address instead of uretprobe:true
2023/06/11 23:49:18 traced ELF file:/home/cfc4n/project/go_uretprobe_demo/bin/demo
2023/06/11 23:49:18 attach function: main.CountCC
2023/06/11 23:49:18 Golang uretprobe hook main.CountCC [RET] at 0x7A
2023/06/11 23:49:18 Golang uretprobe hook main.CountCC [RET] at 0xE3
2023/06/11 23:49:18 successfully started, head over to /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe
main.CountCC函数内，RET汇编指令的偏移地址分别为0x7A、0xE3 ，且都挂载成功，执行的内核函数为uprobe_countcc。
被观察程序
如你所见，被观测程序没有崩溃，可以正常运行，并输出结果。
bin/demo
NewTestFunc
100
CountCC return :101
NewTestFunc
100
CountCC return :101
NewTestFunc
100
CountCC return :101
观察结果
笔者的DEMO里没有将内核调试结果传输到用户空间，直接打印了。
root@vm-server-2004:/home/cfc4n# cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe
demo-18960 [000] .... 5125.277053: 0: new countCC detected
demo-18960 [000] .... 5125.277089: 0: countCC :: num:101, ret_num:0
demo-18962 [001] .... 5126.276907: 0: new countCC detected
demo-18962 [001] .N.. 5126.276940: 0: countCC :: num:101, ret_num:0可以看到，demo-18960 （程序名+PID）运行结果后，出现了我们打印的日志。并且，捕获的结果是101，符合预期。
总结
eBPF挂载uretprobe崩溃的问题，只在Golang程序上发生，这跟Golang的协程缩容、扩容机制有关，受到CPU中断指令插入影响，破坏原有调用栈，导致问题发生。其他编译型语言上，不会有这个问题。假如有的语言也跟Golang一样，使用stack来做运动时管理，哪也会遇到这个问题。
关于 Golang的这个问题，在其社区里也有关于runtime: fatal error: unknown caller pc when uprobes are attached #27077的讨论，Go语言开发者aclements认为，这不是Go的问题，近期也不会考虑修复，希望uretprobe的管理层面，自动做返回地址栈的修复。
感谢提供的参考资料，@sillyousu。这些资料确认了我的猜测，很不幸地，我们实际上无法有效地解决uretprobes损坏堆栈的问题。
既然我们无能为力，而且这并不是一个Go的错误，我决定关闭这个问题。如果将来uretprobes能够提供足够的信息来恢复用户空间中被破坏的返回地址，我们可以重新考虑这个问题，并可能找到解决方法。
所以，这个问题，大家还是自己使用模拟的方法来解决Golang程序的函数返回值观测需求吧。eCapture也是自己写了PR支持了Go TLS的明文捕获：support gotls request and response #357。 本次DEMO的测试代码在GitHub仓库：cfc4n/go_uretprobe_demo ，祝大家玩得开心。
写于2023年6月11日，周末，雷阵雨，北京望京。
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