linux第十八章学习笔记
2016-03-31 10:18 20135128 阅读(206) 评论(1) 编辑 收藏 举报第十八章 调试
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。
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*/
}
即,除了uid=7777的用户以外,其他所有的用户都是用的老算法,所以这个7777用户可以专门用来测试新算法。
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。
操控方式:某种接口,或者调试器。
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,我学到了有关内核bug和调试的很多知识,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。