《Linux内核设计与实现》第十八章学习笔记

第十八章 调试

【学习时间：1小时 总结博客时间：1小时15分】

【学习内容：出现bug的原因、内核调试器gdb、使用Git进行二分查找】

内核级开发的调试工作远比用户级开发艰难，它带来的风险比用户级别更高。

一、准备开始

1. 准备工作需要：

• 一个bug
• 一个藏匿bug的内核版本
• 相关内核代码的知识和运气

2. 在用户级程序中bug常常表现得清晰（执行foo就会让程序立即产生核心信息转储）但是内核中的bug表现得不像用户级程序中那么清晰。因为内核、用户以及硬件之间的交互很微妙。

3. 调试的主要思想是让bug重现，但是在内核中这并不是很容易做到的。因此，在跟踪bug的时候，掌握的信息越多越好。

二、内核中的bug

1. 内核bug产生的原因：

• 错误代码，例如没有把正确的值存放在恰当的位置
• 同步时发生的错误，例如共享变量锁定不当
• 错误的管理硬件，例如给错误的控制寄存器发送错误的指令
• ……

2. 内核bug发作的症状可能有：

• 降低所有程序的运行性能
• 毁坏数据
• 使得系统处于死锁状态
• ……

3. 从隐藏在源代码中的错误到展现在目击者面前的bug，往往是经历一系列连锁反应的事件才可能触发的。

4. 内核开发比起用户开发要多考虑一些独特的问题，如定时限制、竞争条件等，它们都是允许多个线程在内核中同时运行产生的结果。

三、通过打印来调试

内核提供的格式化打印函数printk()有一些特殊功能：

3.1 健壮性

健壮性——在任何时候、任何地方都能调用它，弹性极佳。可以在中断上下文和进程上下文中被调用；可以在任何持有锁时被调用；可以在多处理器上同时被调用，并且不必使用锁。

漏洞：在系统启动过程中，中断还没有初始化之前，在某些地方不能使用它。

解决方法：调试启动过程最开始的步骤时，可用early_printk()代替，功能与printk()完全相同，能更早工作。

3.2 日志等级

1. printk()和printf()在使用上最主要的区别就是前者可以指定一个日志级别，内核根据这个级别来判断是否在终端上打印消息。内核把级别比某个特定值低的所有消息显示在终端上。

2. KERN_ WARNING和KERN_ DEBUG都是简单的宏定义，加进printk()函数要打印的消息的开头。内核用这个指定的记录等级和当前终端的记录等级console_loglevel来决定是不是向终端上打印。

3. 如果没有特别特别指定，函数会选用默认的DEFAULT_ MESSAGE_ LOGLEVEL,在当前来看是KERN_ WARNING，即一个警告。最好还是给自己的消息指定一个记录等级。

4. 内核把最重要的记录等级KERN_EMERG定义为"<0>",将无关紧要的记录等级KERN _ DEBUG定义为"<7>"

5. 调试信息时两种赋予记录等级的方法：

• 保持终端的默认记录等级不变，给所有调试信息KERN_CRIT或更低的等级。
• 给所有调试信息KERN_DEBUG等级，调整终端的默认记录等级。

3.3 记录缓冲区

1. 内核消息都被记录在环形队列中，以队列方式进行读写；大小可以通过设置CONFIGLOGBUF_SHIFT进行调整。

2. 在单处理器上，该缓冲区大小默认为16KB，也就是说，超过的消息将覆盖旧消息。

3. 优势：

• 健壮性：读写同步问题容易解决，在中断上下文中也可以方便的使用
• 简单性：记录的维护更加方便

4. 劣势：可能会丢失消息。

3.4 syslogd和klogd

　　syslogd和klogd是两个用户空间的守护进程。klogd从记录缓冲区中获取内核消息，再通过syslogd守护进程将他们保存在系统日志文件中。

1. klogd

• 既可以从/proc/kmsg文件中，也可以通过syslog()系统调用读取这些消息
• 默认情况下选择读取/proc方式实现
• 两种情况klogd都会阻塞：知道有新的内核消息可供读出，唤醒之后默认处理是将消息传给syslogd
• 启动klogd时可以通过-c标志来改变终端的记录等级

2. syslogd

　　syslogd将它接收到的所有消息添加到一个文件中，默认是/var/log/messages。

3.5 从printf()到printk()的转换

四、oops

1. oops是内核告知用户有不幸发生的最常用的方式。内核很难自我修复，也不能将自己杀死（因为内核是整个系统的管理者，不能将自己杀死，也很难自行修复），只能发布oops。

2. 发布oops的过程

• 向终端上输出错误消息
• 输出寄存器中保存的信息
• 输出可供跟踪的回溯线索

3. oops发生的时机：

• 发生在中断上下文：内核无法继续，会陷入混乱，导致系统死机
• 发生在idle进程或init进程（0号进程和1号进程），同上
• 发生在其他进程运行时，内核会杀死该进程并尝试着继续执行

4. oops发生的可能原因：

• 内存访问越界
• 非法的指令
• ……

5. oops中包含的重要信息对于所有体系结构都是相同的：寄存器上下文和回溯线索。

• 回溯线索：显示了导致错误发生的函数调用链
• 寄存器上下文信息可能同样有用，比如帮助冲进引发问题的现场

4.1 ksymoops

　　回溯线索中的地址需要转化成有意义的符号名称才能使用，这需要调用ksymoops命令，并且还必须提供编译内核时产生的System.map。如果用的是模块，还需要一些模块信息。

调用方式：

kysmoop saved_oops.txt

4.2 kallsyms

　　现在不需要使用sysmoops工具，因为用户使用时可能会发生很多问题。新版本中引入了kallsyms特性，可以通过定义CONFIG_KALLSYMS配置选项启用。

五、内核调试配置选项

　　编译时为了方便调试和测试内核代码，内核提供了许多配置选项。这些选项都在内核配置编译器的内核开发菜单中，都依赖于CONFIG_ DEBUG_ KERNEL。

常用选项：

slab layer debugging slab层调试选项

high-memory debugging 高端内存调试选项

I/O mapping debugging I/O映射调试选项

spin-lock debugging 自旋锁调试选项

stack-overflow debugging 栈溢出检查选项

sleep-inside-spinlock checking 自旋锁内睡眠选项

……

六、引发bug并打印信息

1. 一些内核调用可以用来方便标记bug，提供断言并输出信息。最常用的两个是BUG()和BUG_ON()。当被调用时会引发oops，导致栈的回溯和错误信息的打印。

大部分体系把BUG()和BUG_ON()定义成某种非法操作，这样自然会产生需要的oops。可以把这些调用当做断言使用，想要断言某种情况不该发生：

if (bad_thing)
    BUG();

或使用更好的形式：

BUG_ON(bad_thing);

2. BUILD_ BUG_ ON() 与BUG_ ON()作用相同，仅在编译时调用。

3. panic()可以引发更严重的错误，不但会打印错误信息，还会挂起整个系统。

4. dump_stack()只在终端上打印寄存器上下文和函数的跟踪线索。

七、神奇的系统请求键

这个功能可以通过定义CONFIG_ MAGIC _SYSRQ配置选项来启用。SysRq（系统请求）键在大多数键盘上都是标准键。

该功能被启用时，无论内核出于什么状态，都可以通过特殊的组合键和内核进行通信。

除了配置选项以外，还要通过一个sysctl用来标记该特性的开或关，启动命令如下：

echo 1 > /proc/sys/kernel/sysrq

支持Sysrq的几个命令：

八、内核调试器的传奇

8.1 gdb

1. 可以使用标准的GNU调试器对正在运行的内核进行查看。 针对内核启动调试器的方法与针对进程的方法大致相同：

gdb vmlinux /proc/kcore

其中vmlinx文件是未经压缩的内核映像，区别于zImage或bImage，它存放于源代码树的根目录上。

/proc/kcore作为一个参数选项，是作为core文件来用的，通过它能够访问到内核驻留的高端内存。只有超级用户才能读取此文件的数据可以使用gdb的所有命令来获取信息。如：

p global_variable //打印一个变量的值

disassemble function //反汇编一个函数

2. 如果编译内核的时候使用了-g参数（在内核的Makefile文件的CFLAGS变量中加入-g）gdb还可以提供更多的信息。

3. gdb的局限性：

• 没有办法修改内核数据
• 不能单步执行内核代码

8.2 kgdb

1. kgdb是一个补丁，可以让我们在远程主机上通过串口利用gdb的所有功能对内核进行调试。这需要两台计算机：第一台运行带有kgdb补丁的内核，第二台通过串行线使用gdb对第一台进行调试。

2. 通过kgdb，gdb的所有功能都能使用:

• 读取和修改变量值
• 设置断点
• 设置关注变量
• 单步执行
• 某些版本的gdb甚至允许执行函数

九、探测系统

9.1 使用uid作为选择条件

1. 一般情况下，加入特性时，只要保留原有的算法而把新算法加入到其他位置上，基本就能保证安全。可以把用户id（UID）作为选择条件来实现这种功能，通过某种选择条件，安排到底执行哪种算法：

if(current->uid != 7777)
{
    /*老算法*/
else
{
    /*新算法*/
}

9.2 使用条件变量

如果代码与进程无关，或者希望有一个针对所有情况都能使用的机制来控制某个特性，可以使用条件变量。这种方式比使用UID更简单，只需要创建一个全局变量作为一个条件选择开关：如果该变量为0，就使用某一个分支上的代码；否则，选择另外一个分支。

可以通过某种接口提供对这个变量的操控，也可以直接通过调试器进行操控。

9.3 使用统计量

这种方法常用于使用者需要掌握某个特定事件的发生规律的时候。 通过创建统计量并提供某种机制访问其统计结果。

注意：这种方法不是SMP安全的，理想的办法是通过原子操作进行实现。

9.4 重复频率限制

当系统的调试信息过多的时候，有两种技巧可以防止这类问题发生：

• 重复频率限制：就是限制调试信息，最多几秒打印一次，可以根据自己的需要调节频率。例如printk()函数的调节频率，可以用printk_ratelimit()函数限制
• 发生次数限制：要调试信息至多输出几次，超过次数限制后就不能再输出。这种方法可以用来确认在特定情况下某段代码的确被执行了

注意：

• 用到的变量都应该是静态的，并且限制在函数的局部范围以内，这样才能保证变量的值在经历多次函数调用后仍然能够保留下来
• 这些例子的代码都不是SMP安全或抢占安全的，只需要用原子操作改造一下

十、用二分查找法找出罪恶的变更

在问题内核和良好内核之间使用二分法，能很容易地对引发bug的代码进行定位。

十一、使用Git进行二分搜索

Git源码管理工具提供了一个有用的二分搜索机制，如果使用Git来控制Linux源码树的副本，则Git将自动运行二分搜索进程。此外，Git会在修订版本中进行二分搜索，可以具体找到哪次提交的代码引发了bug。

git bisect start   //告知git要进行二分搜索
git bisect bad <revision>   //已知出现问题的最早内核版本
git bisect bad  //当前版本就是引发bug的最初版本的情况下使用这条命令
git bisect good <revision>  //最新的可正常运行的内核版本

之后Git就会利用二分搜索法在Linux源码树中，自动检测正常的版本内核和有bug的内核版本之间哪个版本有隐患，然后再编译、运行以及测试正被检测的版本。

如果版本运行正常：
git bisect good

如果版本运行异常：
git bisect bad

对于每一个命令，Git将在每一个版本的基础上反复二分搜索源码树，并且返回所查的下一个内核版本，直到不能再进行二分搜索位置，最终Git会打印出有问题的版本号。

指定Git仅仅在与错误相关的目录列表中去二分搜索提交的补丁：
git bisect start - arch/x86

总结

　　通过对本章的学习，我了解到调试过程其实是一种寻求实现与目标偏差的行为，从内核内置的调试架构到调试程序，从记录日志到用git二分法查找。此时夯实基础，为以后的学习积累经验。