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前言

在前兩篇文章中，我們了解了 eBPF 的歷史發展和核心架構。現在是時候動手實作了！但在開始編寫 eBPF 程式之前，我們需要搭建一個完整的開發環境。

eBPF 開發需要特定的內核支援、編譯工具鏈和函式庫。今天我們將一步步搭建這個環境，確保後續的開發工作能夠順利進行。

理論基礎

eBPF 開發環境需求

要進行 eBPF 開發，我們需要以下組件：

1. Linux 內核：支援 eBPF 和 BTF 的現代內核（推薦 6.12+ 以使用 sched_ext）
2. 編譯工具鏈：LLVM/Clang 17+，支援 eBPF 目標
3. 開發函式庫：libbpf、libbpfgo
4. 開發工具：bpftool、pahole
5. 除錯工具：trace-cmd、perf

BTF（BPF Type Format）的重要性

BTF 是 eBPF 生態系統的重要組成部分，它提供：

• 型別資訊保存：將 C 結構體資訊嵌入內核
• CO-RE 支援：一次編譯，到處執行
• 除錯資訊：更好的除錯體驗
• 反射能力：執行時型別檢查

在 Ubuntu 25.04 上安裝 Gthulhu

為了節省各位的時間，我們直接跳過編譯 kernel 與安裝 kernel 的過程，使用直接支援 sched_ext 的 Ubuntu 25.04 。

讀者可以直接使用以下腳本安裝必要的套件：

sudo apt-get update
sudo apt-get install --yes bsdutils
sudo apt-get install --yes build-essential
sudo apt-get install --yes pkgconf
sudo apt-get install --yes llvm-17 clang-17 clang-format-17
sudo apt-get install --yes libbpf-dev libelf-dev libzstd-dev zlib1g-dev
sudo apt-get install --yes virtme-ng
sudo apt-get install --yes gcc-multilib
sudo apt-get install --yes systemtap-sdt-dev
sudo apt-get install --yes python3 python3-pip ninja-build
sudo apt-get install --yes libseccomp-dev protobuf-compiler
sudo apt-get install --yes meson cmake
for tool in "clang" "clang-format" "llc" "llvm-strip"
do
  sudo rm -f /usr/bin/$tool
  sudo ln -s /usr/bin/$tool-17 /usr/bin/$tool
done
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
source $HOME/.cargo/env

這些套件包含了所有編譯 scx 的必要套件。

在編譯 Gthulhu 之前，我們還需要安裝 golang：

wget https://go.dev/dl/go1.24.2.linux-amd64.tar.gz
sudo tar -C /usr/local -xzf go1.24.2.linux-amd64.tar.gz

新增以下內容至 ~/.profile：

export GOROOT=/usr/local/go
export GOPATH=$HOME/go
export PATH=$GOROOT/bin:$GOPATH/bin:$PATH

新增後，記得使用 source ~/.profile 讓變更的內容生效。

安裝完必要套件後，安裝 Gthulhu：

git clone https://github.com/Gthulhu/Gthulhu.git
cd Gthulhu
make dep
git submodule init
git submodule sync
git submodule update
cd scx
meson setup build --prefix ~
meson compile -C build
cd ..
cd libbpfgo
make
cd ..
make

編譯完成後，Gthulhu 理應能順利執行在你的系統上：

問題一：undefined reference to eu_search_tree_init

如果你遇到了類似的問題，是因為目前系統使用的是 elfutils 版的 libelf，你可以自行下載與編譯 libelf 來解決這個問題：

sudo apt remove --purge elfutils libelf-dev
cd ~
git clone https://github.com/arachsys/libelf.git
cd libelf
make
sudo make install

問題二：ERROR: Program 'clang' not found or not executable

如果你在執行 meson setup build --prefix ~ 命令時遇到該問題，可以嘗試以下命令：

sudo update-alternatives --install /usr/bin/clang clang /usr/bin/clang-17 100
sudo update-alternatives --install /usr/bin/llvm-strip llvm-strip /usr/bin/llvm-strip-17 100

深度分析：開發工具鏈的選擇

LLVM vs GCC

為什麼 eBPF 使用 LLVM 而不是 GCC？

1. eBPF 後端支援：LLVM 率先支援 eBPF 目標架構
2. 社群驅動：eBPF 社群主要圍繞 LLVM 生態發展
3. 最佳化品質：LLVM 的 eBPF 後端最佳化更成熟
4. 工具鏈整合：更好的工具鏈整合和除錯支援

libbpf vs 其他函式庫

libbpf 的優勢：

1. 官方支援：Linux 內核官方維護
2. 完整功能：支援所有 eBPF 功能
3. 向前相容：與新內核功能同步更新
4. CO-RE 支援：完整的 CO-RE 功能實現

BTF 的重要性

BTF 為什麼如此重要：

// 沒有 BTF 的時代，需要手動定義結構
struct task_struct_offsets {
    int pid_offset;
    int comm_offset;
    int cred_offset;
};

// 有了 BTF，可以直接使用
#include "vmlinux.h"
// task_struct 定義自動可用，支援不同內核版本

除錯和監控工具設定

設定 trace-cmd

# 安裝 trace-cmd
sudo apt install -y trace-cmd

# 或從源碼編譯
git clone https://git.kernel.org/pub/scm/utils/trace-cmd/trace-cmd.git
cd trace-cmd
make -j$(nproc)
sudo make install

設定 perf 工具

# 安裝 perf
sudo apt install -y linux-perf

# 或從內核源碼編譯
cd linux/tools/perf
make -j$(nproc)
sudo make install

eBPF 除錯設定

# 掛載 debugfs（如果未掛載）
sudo mount -t debugfs none /sys/kernel/debug

# 掛載 bpffs（如果未掛載）
sudo mount -t bpf none /sys/fs/bpf

# 設定權限（可選，用於非 root 使用者）
sudo chown $USER:$USER /sys/fs/bpf

總結

今天我們完成了 eBPF 開發環境的搭建，包括：

1. 內核準備：確保支援 eBPF 和 BTF 功能
2. 工具鏈安裝：LLVM/Clang、bpftool、pahole
3. 函式庫安裝：libbpf、libbpfgo
4. 環境驗證：完整的檢查和測試流程
5. 開發工作流程：專案結構和建置系統

一個正確配置的開發環境是成功進行 eBPF 開發的基礎。在下一篇文章中，我們將使用這個環境編寫第一個 eBPF 程式。