近日，OSDI ’25 公布论文入选结果。SmartX 研发人员的研究成果 KRR 及论文《KRR: Efficient and Scalable Kernel Record Replay》成功入选。SmartX 研发工程师张天任是论文的第一作者，普渡大学博士生 Sishuai Gong 以及助理教授 Pedro Fonseca 是论文的共同作者。该研究的出发点源于日常工作中对虚拟化和内核调试的需求。
OSDI（Symposium on Operating Systems Design and Implementation）是计算机系统领域最具影响力的国际学术会议之一。本届会议共收到 327 篇投稿，最终录用 48 篇，录取率 14.6%。
背景和挑战
现代内核体积庞大、结构复杂。但正因为如此，内核故障对于开发人员来说非常难以诊断，尤其是实际部署中遇到的故障通常极其难以复现。虽然 record-replay 技术可以准确地重现失败执行过程，实现确定性重放，从而支持更高级的手动或自动化分析，但现有的 whole-VM record-replay 方法需要拦截和记录所有的硬件输入以及虚拟机状态，效率低下，无法很好地应对现代化高并发和 I/O 密集型的工作负载。
核心设计
基于此，研究团队提出了 Kernel Record and Replay（KRR） 技术，其通过将记录和重放的边界缩小到内核，实现高效的执行记录机制。
KRR 采用 split-recorder 设计，利用 Guest 与 Host 协同完成内核执行的记录。
- In-guest Recorder：运行在虚拟机内核中，记录所有系统调用和用户数据，以及 bypass hypervisor 的硬件指令
- Hypervisor Recorder：运行在宿主机上，记录其他的硬件指令
这种设计能够高效且低开销地记录内核所涉及的接口。两个记录器共同记录所有影响内核执行的非确定性事件，并按执行顺序生成事件记录日志。在重放时，KRR 可以通过逐个注入这些已记录事件，准确复现当时的内核执行片段。
KRR 记录以下三类事件：
- 提供给内核的所有输入
- 内核调度及其他非确定性因素
- 内核的初始状态
在重放过程中，重建内核的执行会遵循精心设计的流程，即 KRR 首先加载虚拟机快照，并按照记录下来的事件轨迹恢复出原始的执行环境。系统采用了多种技术来确保执行过程与原始一致，包括：
- 基于记录的执行顺序调度 vCPU 线程；
- 利用虚拟机断点拦截对用户态内存的访问，从而恢复内存状态；
- 在 I/O 操作期间复现硬件输入；
- 通过指令计数精确控制时序，在与记录时完全相同的时间点注入异步事件。
测试结果
KRR 在多种不同负载下（包括内核编译、RocksDB、Nginx）均可高效扩展到 8 核。当在 8 核虚拟机中运行 RocksDB 和内核编译任务时，KRR 仅带来 1.52 倍至 2.79 倍的性能损耗，相比之下，传统的 whole-VM record-replay 方法会带来 8.97 倍至 29.94 倍的性能损耗。
此外，研究验证了 KRR 的实用性和广泛的记录能力，成功复现了不同 Linux 版本中的 17 个 bug，包括 6 个非确定性 bug 和 5 个高风险 CVE；除了 1 个非确定性 bug 之外，KRR 能够记录并复现其余所有问题。
研究价值
KRR 能以更高效的方式记录并回放复杂的内核错误场景，为内核开发者提供了一个强大的、可进行确定性调试的工具，极大的提升了内核故障调试的效率。
全文链接：https://www.usenix.org/conference/osdi25/presentation/zhang-tianren
