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eBPF 指令集规范

2024-01-05

#eBPF

1 BPF Instruction Set Specification, v1.0 — The Linux Kernel documentation

寄存器和调用约定

eBPF有10个通用寄存器和一个只读的帧指针寄存器，所有的寄存器都是64bits位长。

eBPF的调用约定如下：

R0: 函数调用的返回值和eBPF程序的退出值
R1 - R5: 函数调用的参数
R6 - R9: callee saved registers，由函数调用负责保存到栈上
R10: 只读的帧指针，用于访问栈 R0 - R5是临时寄存器，eBPF程序在函数调用时如需使用需要将它们保存/填充。

指令编码

eBPF使用64bit指令，编码如下：

32位（最高有效位）	16位	4位	4位	8位（最低有效位）
immediate	offset	source register	dest register	opcode

imm: 有符号整型立即数
offset: 有符号整型数，用于指针算术
src_reg: 除开特殊指令的编码外（如64位立即数指令）指的是源寄存器(R0 - R10)
dst_reg: 目标寄存器(R0 - R10)
opcode: 操作码

绝大多数指令不会使用所有的字段。没有使用的字段应当被置0。多字节的字段（如imm和offset）在大端BPF中以大端字节序存储，小端BPF中以小端字节序存储。

opcode                  offset imm          assembly
       src_reg dst_reg
07     0       1        00 00  44 33 22 11  r1 += 0x11223344 // little
       dst_reg src_reg
07     1       0        00 00  11 22 33 44  r1 += 0x11223344 // big

除了这些基本指令编码外，eBPF还有一种宽指令编码，在基本指令之后使用第2个64位立即数做扩展。第2个立即数包括一个伪指令，和基本指令的格式一样，不过所有的字段（除了imm）都置为0。它的imm作为整个宽指令中的imm64值的高32位：

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eBPF 全局变量的实现

2024-01-02

#ebpf

Linux内核在v5.2支持了eBPF全局变量（见v5.2）。

全局变量会被Clang编译器放入.bss, .data, .rodata sections。那么支持全局变量即如何把这些sections中的数据加载进内核，并且在relocation时，给访问这些变量的指令正确的地址。

早期 workaround

关于 eBPF 静态变量支持的讨论在Linux Plumbers Conference 2018 由Cilium提出。早期的 workaround 如下：

#include <linux/bpf.h>

typedef unsigned int __u32;
typedef long long unsigned int __64;

#ifndef __section
# define __section(NAME)				\
	__attribute__((section(NAME), used))
#endif
#ifndef __fetch
# define __fetch(x) (__u32)(__u64)(&(x))
#endif

__u32 foo = 42; 			// .data section
// __u32 foo;   			// .bss section
// const __u32 foo = 42; 	// .rodata section

int __main(struct __sk_buff *skb)
{
    skb->mark = __fetch(foo);
    return 0;
}

char __license[] __section("license") = "";

编译后，foo变量存储在.data section内。

# llvm-readelf -S test.o
There are 8 section headers, starting at offset 0x148:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Address          Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            0000000000000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .strtab           STRTAB          0000000000000000 0000fa 00004b 00      0   0  1
  [ 2] .text             PROGBITS        0000000000000000 000040 000028 00  AX  0   0  8
  [ 3] .rel.text         REL             0000000000000000 0000e8 000010 10      7   2  8
  [ 4] .data             PROGBITS        0000000000000000 000068 000004 00  WA  0   0  4
  [ 5] license           PROGBITS        0000000000000000 00006c 000001 00  WA  0   0  1
  [ 6] .llvm_addrsig     LLVM_ADDRSIG    0000000000000000 0000f8 000002 00   E  7   0  1
  [ 7] .symtab           SYMTAB          0000000000000000 000070 000078 18      1   2  8
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
  L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
  C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
  p (processor specific)

.rel.text section中也存在foo变量的relocation信息：

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