Linux内核设计与实现第十八章

1. 内核调试的难点

重现bug困难
调试风险比较大
定位bug的初始版本困难

2. 内核调试的工具和方法

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)

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 系统请求键

这个系统请求键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:

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

Git 提供的二分搜索机制：

git bisect start  # 开始二分搜索
git bisect bad <bad_revision> # 指定一个bug出现的内核版本号
git bisect good <good_revision> # 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.