《linux内核设计与实现》 学习笔记（十八）---内核调试

《linux内核设计与实现》 学习笔记（十八）---内核调试

内核调试的难点在于它不能像用户态程序调试那样打断点，随时暂停查看各个变量的状态。

也不能像用户态程序那样崩溃后迅速的重启，恢复初始状态。

 

用户态程序和内核交互，用户态程序的各种状态，错误等可以由内核来捕获并显示。

而内核是直接和硬件交互的，内核出错之后整个系统就无法正常运行了，所以要想熟练的进行内核调试，

首先要熟悉内核已经给我们提供的工具，然后实实在在的去做一些内核功能的开发，在开发的过程中不断熟悉内核代码，增加内核调试的经验。

 

主要内容：

• 内核调试的难点
• 内核调试的工具和方法
• 总结

 

1. 内核调试的难点

内核调试的难点大致有以下几个：

1. 重现bug困难 - 如果能够重现一个bug, 相当于成功了一半. (特别是有些bug和硬件相关, 执行几百万次之后才有一次错误)
2. 调试风险比较大 - 稍有不慎, 即造成系统崩溃
3. 定位bug的初始版本困难 - 内核版本更新很快, 很难确定bug是在那个版本开始出现的

 

2. 内核调试的工具和方法

内核调试虽然困难, 但同时也极具挑战性, 如果能够解决一个困扰大家多时的内核bug, 那将会给自己带来极大的成就感. :)

而且, 随着内核的不断发展, 内核调试的手段和方法也在不断进步, 下面是书中提到的一些常用的调试手段.

 

2.1 输出 LOG

输出LOG不光是内核调试, 即使是在用户态程序的调试中, 也是经常使用的一个调试手段.

通过在可疑的代码周围加上一些LOG输出, 可以准确的了解bug发生前后的一些重要信息.

 

2.1.1 LOG等级

linux内核中输出LOG的函数是 printk (语法和printf几乎雷同, 唯一的区别是printk可以指定日志级别)

printk之所以好用, 就在与它随时都可以被调用, 没有任何限制条件.

printk的输出日志级别如下:

等级	描述
KERN_EMERG	一个紧急情况
KERN_ALERT	一个需要立即被注意到的错误
KERN_CRIT	一个临界情况
KERN_ERR	一个错误
KERN_WARNING	一个警告
KERN_NOTICE	一个普通的, 不过也有可能需要注意的情况
KERN_INFO	一条非正式的消息
KERN_DEBUG	一条调试信息--一般是冗余信息

 

输出示例:

printk(KERN_WARNING "This is a warning!\n");
printk(KERN_DEBUG "This is a debug notice!\n");

 

2.1.2 LOG记录

标准linux系统上, printk 输出log之后, 由用户空间的守护进程klogd从缓冲区中读取内核消息, 然后再通过syslogd守护进程将它们保存在系统日志文件中.

syslogd 将接受到的所有内核消息添加到一个文件中, 该文件默认为: /var/log/dmesg (系统Centos6.4 x86_64)

 

PS. 上篇博客中的内核模块的输出LOG, 都可以在 /var/log/dmesg 中看到

 

2.2 oops

oopss是个拟声词, 类似 "哎哟" 的意思. 它是内核通知用户有不幸发生的最常用方式.

触发一个oops很简单, 其实只要在上篇博客中的那些内核模块示例中随便找一个, 里面加上一段给未初始化的指针赋值的代码, 就能触发一个oops

 

oops中包含错误发生时的一些重要信息(比如, 寄存器上下文和回溯线索), 对调试bug很有帮助!

 

调试内核时, 还可以开启内核编译参数中的各种和内核调试相关的选项, 那样还可以给我们提供内核崩溃时的一些额外信息.

 

2.3 主动触发bug

调试中有时将某些情况下标记为bug, 执行到这些情况时, 提供断言并输出信息.

BUG 和 BUG_ON 就是2个可以主动触发oops的内核调用.

 

在不应该被执行到的地方使用 BUG 或者 BUG_ON 来捕获.

比如:

if (bad_thing)
    BUG(); // 或者 BUG_ON(bad_thing);

 

如果想要触发更为严重的错误, 可以使用 panic() 函数

比如:

if (terrible_thing)
    panic("terrible thing is %ld\n", terrible_thing);

 

此外, 还有dump_stack 函数可以打印寄存器上下文和回溯信息.

比如:

if (!debug_check) {
    printk(KERN_DEBUG "provide some information...\n");
    dump_statck();
}

 

2.4 神奇的系统请求键

这个系统请求键之所以神奇, 在于它可以在一个快挂了的系统上输出一些有用的信息.

这个按键一般就是标准键盘上的 [SysRq] 键 (就在 F12 键右边, 其实就是windows中截整个屏幕的按键)

单独按那个键相当于截屏, 按住 ALT + [SysRq] = [SysRq]的功能

 

启用这个键的功能有2个方法:

• 开启内核编译选项 : CONFIG_MAGIC_SYSRQ
• 动态启用: echo 1 > /proc/sys/kernel/sysrq

 

支持 SysRq 的命令如下: (注意要在控制台界面下使用这个键, 比如通过 ALT+CTRL+F2 进入一个控制台界面)

主要命令	描述
SysRq-b	重新启动机器
SysRq-e	向init以外的所有进程发送SIGTERM信号
SysRq-h	在控制台显示SysRq的帮助信息
SysRq-i	向init以外的所有进程发送SIGKILL信号
SysRq-k	安全访问键:杀死这个控制台上的所有程序
SysRq-l	向包括init的所有进程发送SIGKILL信号
SysRq-m	把内存信息输出到控制台
SysRq-o	关闭机器
SysRq-p	把寄存器信息输出到控制台
SysRq-r	关闭键盘原始模式
SysRq-s	把所有已安装文件系统都刷新到磁盘
SysRq-t	把任务信息输出到控制台
SysRq-u	卸载所有已加载文件系统

 

2.5 内核调试器 gdb和kgdb

linux内核的调试器可以使用 gdb或者kgdb, 配置比较麻烦, 准备实际用调试的时候再去试试效果如何..

 

2.6 探测系统

下面一些方法是在修改内核后, 用来试探内核反应的小技巧.

2.6.1 用UID控制内核执行

比如在内核中加入了新的特性, 为了测试特性, 可以用UID来控制内核是否执行新特性.

if (current->uid != 7777) { /* 原先的代码 */ } else { /* 新的特性 */ }

 

2.6.2 用条件变量控制内核执行

也可以设置一些条件变量来控制内核是否执行某段代码.

条件变量可以像上篇博客中那样, 设置在 sys 文件系统的某个文件中. 当文件中的值变化时, 通知内核执行相应的代码.

 

2.6.3 使用统计量观察内核执行某段代码的频率

实现思路就是在内核中的设置一个全局变量, 比如 my_count, 当内核执行到某段代码时, 给 my_count + 1 就行.

同时还要将 my_count 打印出来(可以用printk), 便于随时查看它的值.

 

2.6.4 控制内核执行某段代码的频率

有时侯, 我们需要在内核发生错误时打印错误相关的信息, 如果这个错误不会导致内核崩溃, 并且这个错误每秒会发生几百次甚至更多.

那么, 用printk输出的信息会非常多, 给系统造成额外的负担.

这时, 我们就需要想办法控制错误输出的频率, 有2种方法:

方法1: 隔一段时间才输出一次错误

static unsigned long prev_jiffy = jiffies; /* 频率限制 */ if (time_after(jiffies, prev_jiffy + 2*HZ)) { /* 输出间隔至少 2HZ */ prev_jiffy = jiffies;
    printk(KERN_ERR "错误信息....\n");
}

 

方法2: 输出 N 次之后, 不再输出(N是正整数)

static unsigned long limit = 0; if (limit < 5) { /* 输出5次错误信息后就不再输出 */ limit++;
    printk(KERN_ERR "错误信息....\n");
}

 

2.7 二分法查找bug发生的最初内核版本

在内核发生了bug之后, 如果能够知道是bug从哪个内核版本开始出现的, 那对修正这个bug会有很大的帮助.

由于内核代码非常庞大, 即使用二分查找法, 手工去找哪个版本开始出现bug的话, 仍然是非常耗时和繁琐的.

 

好在 Git 给我们提供了一个非常有用的二分搜索机制.

git bisect start  # 开始二分搜索
git bisect bad  # 指定一个bug出现的内核版本号
git bisect good  # 指定一个没有bug的内核版本号, 此时git会检测2个版本直接的隐患

# 根据结果再次设置 bad 和 good 的版本号, 缩小Git检索范围, 直至找到可疑之处为止.

 

2.8 社区

当你在调试bug时用尽了一切手段仍然无济于事时, 可以考虑求助linux社区, 求助时注意一定要描述清楚bug的状况.

(可以参考一下别人汇报bug的格式)

 

linux 内核相关的邮件列表非常多: 参见 

和内核开发, bug汇报相关的邮件列表参见:  (这个邮件列表非常活跃, 每天的邮件都非常多!!!)

 

3. 总结

linux内核调试必须要依靠大量的实践来掌握, 仅仅靠上面介绍的一些技巧还远远不够, 只有实实在在的去阅读内核代码, 实实在在的去修正一个个bug, 才算真正掌握内核, 真正了解内核.

多看看之前linux内核bug的修正案例, 也是个不错的积累经验的方法.

 

PS.

对于初学者来说, 在真机上做内核开发动辄导致机器崩溃(panic), 非常麻烦. 现在的虚拟机这么强大, 建议都在虚拟机上测试linux内核修改的效果.

我之前的关于<>笔记的博客中的代码都是在虚拟机上运行测试的.

标签: linux-kernel