《Linux内核设计与实现》读书笔记三

Chapter 18 调 试

18.1 准备开始

1.准备工作：

• 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.执行foo就会让程序立即产生核心信息转储（dump core）。

18.2 内核中的bug

往往是经由连锁反应触发的。##

1.内核bug的原因：

• 错误代码（如没有把正确的值存放在恰当的位置）
• 同步时发生的错误（如共享变量锁定不当）
• 错误的管理硬件（如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

18.3 通过打印来调试

内核提供的打印函数printk()，与C库提供的printf()类似。但是也有一些自身特殊的功能。

18.3.1 健壮性（随时随地可被调用）

• 在中断上下文和进程上下文中被调用
• 在任何持有锁时被调用
• 在多处理器上同时被调用，并且不必使用锁。
  
  1.在系统启动过程中，终端还没有初始化之前，在某些地方不能使用它。

2.setup_arch()：负责执行硬件体系结构相关的初始化动作。

3.核心硬件部分的黑客依靠某时刻能工作的硬件设备（如串口）与外界通信。解决的办法就是提供一个printk()的变体函数——early_printk()，这个函数在启动过程的初期就具有在终端上打印的能力。它的功能与printk()完全相同，区别仅仅在于名字和能够更早地工作。除非在启动初期就要在终端上输出，否则可以认为printk()在什么情况下都能工作。

18.3.2 日志等级

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。

enter description here

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。内核会把这些记录等级转化为""，n指等级，从0-7，对应表中从上到下，数字越小越重要

对于调试信息， 有两种赋予记录等级的方法：

1. 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。
2. 给所有调试信息KERN_DEBUG等级，调整终端的默认记录等级。

18.3.3 记录缓冲区

1. 内核消息是保存在一个环形队列中，这个环形队列就是它的记录缓冲区。

2. 大小是可以在编译时进行调整的，但是在单处理器的系统上默认值是16kb。也就是说内核在同一时间只能保存16kb的内核消息，再多的话新消息就会覆盖老消息，读写都是按照环形队列方式操作的。

3. 优点：

• 健壮性：在中断上下文中也可以方便的使用。
• 简单性：使记录维护起来更容易。

1. 缺点：可能会丢失消息。

18.3.4 syslogd和klogd（这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。
• 默认是/proc方式。
• 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。
• 可以通过-c标志来改变终端的记录等级

（2）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。

18.4 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，只能发布oops，过程包括：

• 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
  
  2.通常发送完oops之后，内核会处于一种不稳定状态。

3.oops发生的时机：

• 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、非法的指令等

5.oops中包含的重要信息：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。
• 寄存器上下文信息也很有用，比如帮助冲进引发问题的现场

18.4.1 ksymoops

1.调用ksymoops命令使回溯线索中的地址转化成有意义的符号名称，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。

kysmoop saved_oops.txt

18.4.2 kallsyms

现在的版本中不需要使用sysmoops这个工具，而在新版本中引入了kallsyms特性。

通过定义CONFIG_KALLSYMS配置选项启用。

18.5 内核调试配置选项

1.位于内核配置编辑器的内核开发菜单项中，都依赖于CONFIG_DEBUG_KERNEL。

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

注意：原子操作：指那些能够不分隔执行的东西；在执行时不能中断否则就是完不成的代码。正在使用一个自旋锁或禁止抢占的代码。使用锁时睡眠是引发死锁的元凶。

18.6 引发bug并打印信息

1.BUG()和BUG_ON()：被调用时会引发oops，导致栈的回溯和错误信息的打印。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：

或者：

• BUG_ON(bad_thing);
• BUILD_BUG_ON()：与BUG_ON()作用相同，仅在编译时调用。
• 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。
• dump_stack()：只在终端上打印寄存器上下文和函数的跟踪线索。

18.7 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

相关命令如下：

enter description here

注意：在一行内发送这三个键的组合可以重新启动濒临死亡的系统。

• SysRq-s：将“脏”缓冲区跟硬盘交换分区同步
• SysRq-u：卸载所有的文件系统
• SysRq-b：重启设备
  
  内核代码中的Documentation/sysrq.txt有更详细说明，实际的实现在drivers/char/sysrq.c中。

18.8 内核调试器的传奇

18.8.1 gdb

1. 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
   
   注意：vmlinx: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。

2. 使用gdb的所有命令来获取信息。

例如：打印一个变量的值：

p global_variable

反汇编一个函数：

disassemble function

使用-g参数还可以提供更多的信息。

1. 局限性：

• 没有办法修改内核数据
  
  -不能单步执行内核代码

18.8.2 kgdb

1. 用于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。
2. 需要两台计算机。一台运行带有kgdb补丁的内核，另一台通过串行线使用gdb对第一台进行调试。
3. 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

18.9 探测系统

18.9.1 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。

2. 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。

18.9.2 使用条件变量

1.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。

2.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。

3.操控方式：某种接口，或者调试器。

18.9.3 使用统计量

1.用于使用者需要掌握某个特定事件的发生规律的时候。方法是创建统计量，并提供某种机制访问其统计结果。

2.操作：定义全局变量-->在/proc目录中创建一个文件/新建一个系统调用/通过调试器直接访问（最直接）。

3.不是SMP安全的，更好的方式是用原子操作。

18.9.4 重复频率限制

当系统的调试信息过多的时候，可以用重复频率限制、发生次数限制防止这类问题发生。

①重复频率限制：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。

②发生次数限制：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：不是SMP安全，不是抢占安全，更好的方式是用原子操作。

SMP（Symmetric Multi-Processing），对称多处理结构的简称，是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU),各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。在这种技术的支持下，一个服务器系统可以同时运行多个处理器，并共享内存和其他的主机资源。

18.10 用二分查找找出印发罪恶的变更

运用二分查找将问题局限在两个相继发行的版本之间，一个包含错误而另一个不包含，这样就能够对引发bug的代码变更进行定位。

这样的方法较为高效。

18.11 使用Git进行二分搜索

1.Git源码管理工具提供了一个有用的二分搜索机制。若使用Git来控制Linux源码树的副本，Git将自动运行二分搜索进程。

2.操作命令如下：

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

3.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的内核版本之间那个版本有隐患，然后再编译、运行以及测试正被检测的版本。

①若版本正常，则:

git bisect good

②若版本异常，则：

git bisect bad

4.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，一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。

18.12

如果bug是内核的主流部分中出现的，可以在内核开发社区中寻求其他开发者的帮助。