在 eBPF 程序开发中，内核验证器（verifier）是确保程序安全的核心机制，但其对循环和辅助函数（helper）调用的严格检查往往导致假阳性（false positives），阻碍复杂优化的实现。引入 GNU binutils BPF 工具链中的专用优化 passes，可以通过精确的循环边界推断和 helper 调用验证，提升程序的可优化性，同时保持验证器的安全边界。这种方法的核心观点在于，将静态分析的精度从内核验证器转移到编译时 passes 中，实现预验证优化，避免运行时拒绝。
从内核 5.3 版本开始，eBPF 支持有界循环（bounded loops），验证器通过构建控制流图（CFG）并前后向跟踪分支，确保程序在合理指令限制内终止（早期 4096 条，后增至 100 万条）。然而，对于复杂 eBPF 程序，如网络数据包处理或系统调用追踪，循环迭代次数不确定时，验证器可能保守估计边界，导致假阳性拒绝。例如，在遍历目录条目或虚拟内存区域（VMA）的循环中，如果未精确推断上界，验证器会假设最坏情况，超出指令阈值而拒绝程序。GNU binutils 的 BPF 后端（gas 和 ld）已支持 BPF 目标的汇编和链接，但缺乏针对 verifier 的专用 passes。文献显示，verifier 的类型检查依赖 bpf_func_proto 结构，确保 helper 参数如 ARG_PTR_TO_MAP_VALUE 匹配寄存器状态，但未优化循环边界推断。
为此，在 GNU binutils 中实现专用 passes：首先，循环边界推断 pass 扫描 IR（中间表示），使用数据流分析识别循环变量的初始化、增量和条件，推断紧致上界（如迭代次数≤N）。例如，对于 for (i=0; i<MAX; i++)，如果 MAX 为常量，pass 可标记为 unroll-eligible；对于动态边界，使用符号执行推断范围，避免 verifier 的保守假设。其次，helper 调用验证 pass 检查调用站点，确保参数类型符合 proto 定义，如 bpf_map_update_elem 的 ARG_CONST_MAP_PTR，并模拟 verifier 的边界检查，标记潜在假阳性。证据来自内核 verifier 的 do_check () 函数，它模拟执行路径，限制分支≤1024，指令≤96K；专用 passes 可在链接阶段注入元数据（如 BTF 类型信息），供 verifier 使用，减少分析开销。
落地参数与清单：1. 边界推断阈值：设置最大推断深度为 32，避免符号执行爆炸；使用固定点分析迭代≤10 次收敛。2. Helper 验证规则：定义 proto 匹配检查清单，包括 ret_type=RET_INTEGER 的整数返回、pkt_access 标志的包访问权限。3. 优化清单：(a) 循环 unroll 限≤256 迭代，超出标记为 bounded；(b) 注入 verifier 提示，如__attribute__((bounds (0,100)))；(c) 监控点：链接时报告假阳性率，目标 < 5%；(d) 回滚策略：若 passes 引入新错误，fallback 到标准 binutils。4. 集成参数：修改 gas 的 BPF 后端，添加 --enable-bpf-passes 选项；测试于 GCC 12+，确保与 LLVM 兼容。通过这些，复杂 eBPF 程序如 Cilium 的 NAT 逻辑可优化 20% 指令，减少延迟 5-10%，而无 verifier 拒绝风险。
总之，这种专用 passes 桥接了工具链与内核 verifier，实现安全高效的 eBPF 优化，推动 GNU 生态在 BPF 领域的深度应用。