Linux下如何记录程序进入/退出用户态、内核态的时间戳？

getrusage只能输出累计的用户态、内核态运行总时长，确实无法满足单切换节点的时间戳采集需求，以下是几种可落地的实现方案：

非侵入式追踪方案（无需修改目标程序代码） #

• ftrace（内核内置工具） #

  是Linux官方自带的内核追踪框架，无需额外安装依赖，使用系统调用tracepoint可以直接捕获切换时间点：
  1. 先挂载tracefs：mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
  2. 过滤目标进程：echo 你的目标进程PID > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_pid
  3. 开启系统调用进出追踪：echo 1 > /sys/kernel/tracing/events/syscalls/enable
  4. 读取trace文件即可得到每一次系统调用（对应用户态进入内核态、内核态返回用户态）的纳秒级时间戳：cat /sys/kernel/tracing/trace

• eBPF追踪（更灵活的现代方案） #

  基于eBPF的bpftrace工具可以用一行命令快速实现需求，示例命令如下：

  bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_* /pid == 目标PID/ { printf("进入内核态 时间戳(纳秒): %llu\n", nsecs); } tracepoint:syscalls:sys_exit_* /pid == 目标PID/ { printf("返回用户态 时间戳(纳秒): %llu\n", nsecs); }'
  

  该方案开销极低，适合生产环境直接使用。

侵入式方案（需要修改目标程序代码） #

• 如果你可以修改目标程序的源码，可以在所有系统调用的前后主动调用高精度计时接口打时间戳，精度最高，开销最小：
  • x86平台可以直接用rdtsc指令读取CPU时间戳计数器
  • 跨平台可以用clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW, &ts)获取纳秒级时间

以上方案都可以拿到每一次用户态和内核态切换的独立时间戳，不会出现getrusage仅输出累计总时长的问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者ecburx