Linux内核编程、调试技巧小集
1. 内核中通过lookup_symbol_name获取函数名称
内核中很多结构体成员是函数，有时可能比较复杂不知道具体使用哪一个函数。这是可以通过lookup_symbol_name来获取符号表名称。
int lookup_symbol_name(unsigned long addr, char *symname) { symname[0] = '\0'; symname[KSYM_NAME_LEN - 1] = '\0'; if (is_ksym_addr(addr)) {----------------------------------------地址有效性检查 unsigned long pos; pos = get_symbol_pos(addr, NULL, NULL); /* Grab name */ kallsyms_expand_symbol(get_symbol_offset(pos), symname);-----获取不好名称到symname return 0; } /* See if it's in a module. */ return lookup_module_symbol_name(addr, symname);------------------从module符号表中查找 }
在timer_list.c和timer_stats.c中有使用，如下：
static void print_name_offset(struct seq_file *m, unsigned long addr) { char symname[KSYM_NAME_LEN]; if (lookup_symbol_name(addr, symname) < 0) seq_printf(m, "<%p>", (void *)addr); else seq_printf(m, "%s", symname); }
2. 通过__builtin_return_address获取调用者函数地址
2.1 背景介绍：__builtin_return_address是GCC提供的一个内置函数，用于判断给定函数的调用者。
6.49 Getting the Return or Frame Address of a Function里面有更多获取函数调用者的介绍。
void * __builtin_return_address (unsigned int level)
level为参数，如果level为0，那么就是请求当前函数的返回地址；如果level为1，那么就是请求进行调用的函数的返回地址。
2.2 使用实例
内核中ftrace使用的较多：
#define CALLER_ADDR0 ((unsigned long)__builtin_return_address(0)) #define CALLER_ADDR1 ((unsigned long)return_address(1)) #define CALLER_ADDR2 ((unsigned long)return_address(2)) #define CALLER_ADDR3 ((unsigned long)return_address(3)) #define CALLER_ADDR4 ((unsigned long)return_address(4)) #define CALLER_ADDR5 ((unsigned long)return_address(5)) #define CALLER_ADDR6 ((unsigned long)return_address(6))
一个测试示例：
#include <stdio.h> void func_e(void) { printf("func_e(0)=%p\n", __builtin_return_address(0));-------------------------打印返回层级地址 printf("func_e(1)=%p\n", __builtin_return_address(1)); printf("func_e(2)=%p\n", __builtin_return_address(2)); printf("func_e(3)=%p\n", __builtin_return_address(3)); printf("func_e(4)=%p\n", __builtin_return_address(4)); printf("func_e(5)=%p\n", __builtin_return_address(5)); } void func_d(void) { func_e(); } void func_c(void) { func_d(); } void func_b(void) { func_c(); } void func_a(void) { func_b(); } int main(int argc, char *agrv[]) { func_a(); printf("func_a=%p, func_b=%p, func_c=%p, func_d=%p, func_e=%p\n", func_a, func_b, func_c, func_d, func_e);---------------------打印函数地址 }
执行结果如下：
func_e(0)=0x4005f2 func_e(1)=0x4005fd func_e(2)=0x400608 func_e(3)=0x400613 func_e(4)=0x400629 func_e(5)=0x7fba4af1af45 func_a=0x40060a, func_b=0x4005ff, func_c=0x4005f4, func_d=0x4005e9, func_e=0x40052d
使用addr2line -e file -f addrs，可以看出编译是否-g的区别：
| gcc caller.c -o caller | gcc caller.c -o caller -g |
|
addr2line -e caller -f 4005f2 |
addr2line -e caller -f 4005f2 |
通过nm xxxx也可以找到地址对应的函数名：
000000000040060a T func_a
00000000004005ff T func_b
00000000004005f4 T func_c
00000000004005e9 T func_d
000000000040052d T func_e
参考文档：
3. 基于HW Breakpoints的调试
3.1 HW Breakpoints背景
3.2
参考文档：
1. 《Hardware Breakpoint(or watchpoint) usage in Linux Kernel》
4. likely和unlikely机制
1.likely和unlikely背景
likely和unlikely在include/linux/compiler.h中定义：
#if defined(CONFIG_TRACE_BRANCH_PROFILING) \------------------------------------------------------------------带调试信息的likely和unlikelly && !defined(DISABLE_BRANCH_PROFILING) && !defined(__CHECKER__) ... # ifndef likely # define likely(x) (__builtin_constant_p(x) ? !!(x) : __branch_check__(x, 1)) # endif # ifndef unlikely # define unlikely(x) (__builtin_constant_p(x) ? !!(x) : __branch_check__(x, 0)) # endif ... #else # define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)--------------------------------------------------------------不带调试信息 # define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) #endif
__builtin_expect()是GCC从2.96开始支持的分支预测功能，降低因为指令跳转带来的分支下降，它的返回值就是它的第一个参数传递给它的值。
2.机制详解
__builtin_expect()通过改变汇编指令顺序，来充分利用处理器的流水线，直接执行最有可能的分支指令，而尽可能避免执行跳转指令(jmp)。因为jmp指令会刷新CPU流水线，而影响执行时间。
#include <stdio.h> #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1) #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) int main(char *argv[], int argc) { int a; /* Get the value from somewhere GCC can't optimize */ a = atoi (argv[1]); if (unlikely (a == 2))--------------------------if (likely (a == 2)) a++; else a--; printf ("%d\n", a); return 0; }
使用gcc xxx.c -o xxx -O2 -g编译。
通过gdb xxxx -q，然后disassemble main可以看出两者区别，左边是unlikely，右边是likely。
再来通过objdump -S xxx看一下结果。
unlikely反汇编结果如下：
Disassembly of section .text: 00000000004004b0 <main>: #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1) #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) int main(char *argv[], int argc) { 4004b0: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp int a; /* Get the value from somewhere GCC can't optimize */ a = atoi (argv[1]); 4004b4: 48 8b 7f 08 mov 0x8(%rdi),%rdi 4004b8: 31 c0 xor %eax,%eax 4004ba: e8 e1 ff ff ff callq 4004a0 <atoi@plt> if (unlikely (a == 2)) 4004bf: 83 f8 02 cmp $0x2,%eax 4004c2: 74 1b je 4004df <main+0x2f>--------------------如果cmp返回的结果是等于，就跳转到0x4004df地址，也即a++。 a++; else a--; 4004c4: 8d 50 ff lea -0x1(%rax),%edx-----------------------不跳转的情况下，顺序执行a--这条指令。这种情况不需要跳转，一直到retq结束。 } __fortify_function int printf (const char *__restrict __fmt, ...) { return __printf_chk (__USE_FORTIFY_LEVEL - 1, __fmt, __va_arg_pack ()); 4004c7: be 54 06 40 00 mov $0x400654,%esi-----------------------printf也是接着a--这条语句，也不需要跳转。 4004cc: bf 01 00 00 00 mov $0x1,%edi 4004d1: 31 c0 xor %eax,%eax 4004d3: e8 b8 ff ff ff callq 400490 <__printf_chk@plt> printf ("%d\n", a); return 0; } 4004d8: 31 c0 xor %eax,%eax 4004da: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp 4004de: c3 retq /* Get the value from somewhere GCC can't optimize */ a = atoi (argv[1]); if (unlikely (a == 2)) a++; 4004df: ba 03 00 00 00 mov $0x3,%edx----------------------------------对应a++这句指令。 4004e4: eb e1 jmp 4004c7 <main+0x17>-------------------------跳转到printf这条指令，这种情况跳转了两次。
likely反汇编结果如下：
00000000004004b0 <main>: #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1) #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) int main(char *argv[], int argc) { 4004b0: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp int a; /* Get the value from somewhere GCC can't optimize */ a = atoi (argv[1]); 4004b4: 48 8b 7f 08 mov 0x8(%rdi),%rdi 4004b8: 31 c0 xor %eax,%eax 4004ba: e8 e1 ff ff ff callq 4004a0 <atoi@plt> if (likely (a == 2)) 4004bf: 83 f8 02 cmp $0x2,%eax 4004c2: 75 1d jne 4004e1 <main+0x31>------------------不等于就跳转到a--，预测是等于2的情况。所以紧接的语句是a++。 a++; 4004c4: ba 03 00 00 00 mov $0x3,%edx---------------------------a++对应的指令。 } __fortify_function int printf (const char *__restrict __fmt, ...) { return __printf_chk (__USE_FORTIFY_LEVEL - 1, __fmt, __va_arg_pack ()); 4004c9: be 54 06 40 00 mov $0x400654,%esi----------------------紧接着的是printf知道retq结束。 4004ce: bf 01 00 00 00 mov $0x1,%edi 4004d3: 31 c0 xor %eax,%eax 4004d5: e8 b6 ff ff ff callq 400490 <__printf_chk@plt> a--; printf ("%d\n", a); return 0; } 4004da: 31 c0 xor %eax,%eax 4004dc: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp 4004e0: c3 retq a = atoi (argv[1]); if (likely (a == 2)) a++; else a--; 4004e1: 8d 50 ff lea -0x1(%rax),%edx---------------------在cmp不等于情况下，跳转到此处。 4004e4: eb e3 jmp 4004c9 <main+0x19>------------------a--之后再跳转回printf，两次跳转。
3.总结
如上汇编分析，__builtin_expect()的使用可以降低分置于句的跳转，按顺序执行，来减小对指令流水的刷新，从而加快程序的执行。
当预测a最有可能是2时，a++的指令紧接着判断语句，顺序执行的可能性很大。
当预测a最不可能是2是，a--的指令紧接着判断语句，a--被执行的可能性最大。
参考文档：
2. linux kernel中likely和unlikely宏的机制分析
5. 内存屏障barrier()和preempt_disable()
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