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分类: LINUX

2015-03-19 07:21:33

一、问题
在dmesg或messages中常见BUG_ON的相关打印,如:
------------[ cut here ]------------
kernel BUG at ...
也常见其它的异常打印,比如page_fault相关的,softlockup相关的,有时候不太好区分它们之间的差别,但区分它们却是否重要,直接关系着对问题本质的判断。
这里简单分析了一下BUG_ON在3.10 kernel代码中的实现。

二、基本原理
BUG_ON通过BUG宏实现。BUG最终是通过执行ud2汇编指令实现。ud2指令看起来有点陌生,大概就是undefine的意思,是一种让CPU产生invalid opcode异常的软件指令,此时会有相应的异常事件上报,内核捕获相应的异常,由预先注册的异常处理接口进行处理:打印相关错误信息,最终根据配置进行kdump或panic或停止当前进程。

三、代码分析
1、BUG_ON宏定义
BUG_ON宏定义,判断condition是否成立,成立则调用BUG():

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  1. #define BUG_ON(condition) do { if (unlikely(condition)) BUG(); }

BUG()宏定义,本质是调用ud2汇编指令

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  1. #define BUG()    \
  2. do {    \
  3. asm volatile("1:\tud2\n"    \
  4.     ".pushsection __bug_table,\"a\"\n"    \
  5.     __BUG_C0    \
  6.     "\t.word %c1, 0\n"    \
  7.     "\t.org 2b+%c2\n"    \
  8.     ".popsection"    \
  9.     : : "i" (__FILE__), "i" (__LINE__),    \
  10.     "i" (sizeof(struct bug_entry)));    \
  11. unreachable();    \
  12. } while (0)

其中,'c' 在gcc中, 叫做operand code, 用在常量变量(constraint表示'i')和条件判断指令中. 作用是将这个常量值打印在指令中,对于常量如果不用‘c’,上述会出问题,不能正常运行。
其他都是assembler directive,主要目的是将bug相关的信息,比如文件名、行号等保存到预先定义好的bug_table中。 

2、invalid opcode异常初始化流程
start_kernel
    ->trap_init
        ->set_intr_gate(X86_TRAP_UD, invalid_op);

invalid_op由汇编实现,代码在entry_32.S中,最终调用do_invalid_op

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  1. ENTRY(invalid_op)
  2.     RING0_INT_FRAME
  3.     ASM_CLAC
  4.     pushl_cfi $0
  5.     pushl_cfi $do_invalid_op
  6.     jmp error_code
  7.     CFI_ENDPROC
  8. END(invalid_op)

do_invalid_op的实现代码中不好找,主要是因为其不是直接实现的,而是通过宏实现,关键字不好搜。内核中这种实现方式还比较多,比如page的几个flag的判断接口。

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  1. DO_ERROR_INFO(X86_TRAP_UD, SIGILL, "invalid opcode", invalid_op, ILL_ILLOPN,
  2.         regs->ip)
DO_ERROR_INFO宏实现:

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  1. #define DO_ERROR_INFO(trapnr, signr, str, name, sicode, siaddr)        \
  2. dotraplinkage void do_##name(struct pt_regs *regs, long error_code)    \
  3. {                                    \
  4.     siginfo_t info;                            \
  5.     enum ctx_state prev_state;                    \
  6.                                     \
  7.     info.si_signo = signr;                        \
  8.     info.si_errno = 0;                        \
  9.     info.si_code = sicode;                        \
  10.     info.si_addr = (void __user *)siaddr;                \
  11.     prev_state = exception_enter();                    \
  12.     if (notify_die(DIE_TRAP, str, regs, error_code,            \
  13.             trapnr, signr) == NOTIFY_STOP) {        \
  14.         exception_exit(prev_state);                \
  15.         return;                            \
  16.     }                                \
  17.     conditional_sti(regs);                        \
  18.     do_trap(trapnr, signr, str, regs, error_code, &info);        \
  19.     exception_exit(prev_state);                    \
  20. }
3、invalid opcode异常处理流程
do_trap流程:
do_trap()
    ->do_trap_no_signal()
        ->die()
            ->report_bug()
            ->__die()


do_trap()->do_trap_no_signal():

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  1. static int __kprobes
  2. do_trap_no_signal(struct task_struct *tsk, int trapnr, char *str,
  3.          struct pt_regs *regs,    long error_code)
  4. {
  5. #ifdef CONFIG_X86_32
  6.     /*判断是否有VM86标记,如果有的话,则进行相关处理。*/
  7.     if (regs->flags & X86_VM_MASK) {
  8.         /*
  9.          * Traps 0, 1, 3, 4, and 5 should be forwarded to vm86.
  10.          * On nmi (interrupt 2), do_trap should not be called.
  11.          */
  12.         /*当异常号小于6时(不包括2(NMI),NMI不会进入到do_trap流程),进入vm86处理。*/
  13.         if (trapnr < X86_TRAP_UD) {
  14.             if (!handle_vm86_trap((struct kernel_vm86_regs *) regs,
  15.                         error_code, trapnr))
  16.                 return 0;
  17.         }
  18.         return -1;
  19.     }
  20. #endif
  21.     /*是否发生异常时处于内核态?*/
  22.     if (!user_mode(regs)) {
  23.         /*查找fixup表,看是否有预定义好的修正处理,有的话就进行相关处理*/
  24.         if (!fixup_exception(regs)) {
  25.             /*设置错误码和异常号到任务描述符中*/
  26.             tsk->thread.error_code = error_code;
  27.             tsk->thread.trap_nr = trapnr;
  28.             /*调用die,进入"死机"流程*/
  29.             die(str, regs, error_code);
  30.         }
  31.         return 0;
  32.     }

  33.     return -1;
  34. }

do_trap()->do_trap_no_signal()->die():

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  1. /*
  2.  * This is gone through when something in the kernel has done something bad
  3.  * and is about to be terminated:
  4.  */
  5. /*内核出问题了,进入终止流程*/
  6. void die(const char *str, struct pt_regs *regs, long err)
  7. {
  8.     /*oops前的相关处理,包括关闭相关trace,获取die相关的锁等(防止死锁)*/
  9.     unsigned long flags = oops_begin();
  10.     int sig = SIGSEGV;
  11.     /*如果是内核态触发,则应该是内核bug了,需要打印相关提示*/
  12.     if (!user_mode_vm(regs))
  13.         /*报告bug,打印相关信息*/
  14.         report_bug(regs->ip, regs);
  15.     /*打印相关信息,包括EIP,堆栈等。*/
  16.     if (__die(str, regs, err))
  17.         sig = 0;
  18.     /*是否die相关的锁,并根据情况进行kdump或panic*/
  19.     oops_end(flags, regs, sig);
  20. }

do_trap()->do_trap_no_signal()->report_bug():

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  1. /*报告bug,打印相关信息*/
  2. enum bug_trap_type report_bug(unsigned long bugaddr, struct pt_regs *regs)
  3. {
  4.     const struct bug_entry *bug;
  5.     const char *file;
  6.     unsigned line, warning;

  7.     if (!is_valid_bugaddr(bugaddr))
  8.         return BUG_TRAP_TYPE_NONE;
  9.     /*通过出错的IP指针从"bug_table"中找到相关的错误信息,包括行号之类的*/
  10.     bug = find_bug(bugaddr);

  11.     file = NULL;
  12.     line = 0;
  13.     warning = 0;

  14.     if (bug) {
  15. #ifdef CONFIG_DEBUG_BUGVERBOSE
  16. #ifndef CONFIG_GENERIC_BUG_RELATIVE_POINTERS
  17.         file = bug->file;
  18. #else
  19.         file = (const char *)bug + bug->file_disp;
  20. #endif
  21.         line = bug->line;
  22. #endif
  23.         warning = (bug->flags & BUGFLAG_WARNING) != 0;
  24.     }

  25.     if (warning) {
  26.         /* this is a WARN_ON rather than BUG/BUG_ON */
  27.         printk(KERN_WARNING "------------[ cut here ]------------\n");

  28.         if (file)
  29.             printk(KERN_WARNING "WARNING: at %s:%u\n",
  30.              file, line);
  31.         else
  32.             printk(KERN_WARNING "WARNING: at %p "
  33.              "[verbose debug info unavailable]\n",
  34.              (void *)bugaddr);

  35.         print_modules();
  36.         show_regs(regs);
  37.         print_oops_end_marker();
  38.         /* Just a warning, don't kill lockdep. */
  39.         add_taint(BUG_GET_TAINT(bug), LOCKDEP_STILL_OK);
  40.         return BUG_TRAP_TYPE_WARN;
  41.     }

  42.     printk(KERN_DEFAULT "------------[ cut here ]------------\n");

  43.     if (file)
  44.         /*打印bug提示,就是平常常见的打印了*/
  45.         printk(KERN_CRIT "kernel BUG at %s:%u!\n",
  46.          file, line);
  47.     else
  48.         printk(KERN_CRIT "Kernel BUG at %p "
  49.          "[verbose debug info unavailable]\n",
  50.          (void *)bugaddr);

  51.     return BUG_TRAP_TYPE_BUG;
  52. }

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