《Linux内核设计与实现》Chapter 18 读书笔记

一、准备开始

  • 一个bug
  • 一个藏匿bug的内核版本
    • 知道这个bug最早出现在哪个内核版本中。
  • 相关内核代码的知识和运气

想要成功进行调试:

  • 让这些错误重现
  • 抽象出问题
  • 从代码中搜索

二、内核中的bug

1.内核bug的表象:

错误代码
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
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
……
  • 引用空指针会产生一个oops;垃圾数据会导致系统崩溃。

三、通过打印来调试

内核提供打印函数printk(),他是内核的格式化打印函数,它还有自己的一些特殊的功能:

1.健壮性

健壮性即在任何时候,任何地方都能调用它。

  • 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。

printk()有用之处在于它随时都能被调用。

注意:该函数在终端没有初始化之前,某些地方不能用它。这种情况,需要用early_printk()代替,它在启动初期就可以在终端上打印,两者功能完全相同,但early_printk()缺少可移植性。

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。

下表列举了所有可用的记录等级。


如果没有特别特别指定记录等级,函数会选用默认的DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL,当前默认等级是KERN_WARNING,但它存在着变化的可能性。、,最好还是给自己的消息指定一个记录等级。
内核将最重要的等级KERN_EMERG定为"<0>",将最无关紧要的等级KERN_DEBUG定为"<7>",从0-7,对应表中从上到下

3.记录缓冲区

内核消息是被保存在一个LOG_BUF_LEN大小的环形队列中,该缓冲区的大小是可以在编译时设置CONFIG_LOG_BUF_SHIFT进行调整,但是在单处理器的系统上默认值是16kb。就是内核在同一时间只能保存16kb的内核消息,否则新消息就会覆盖老消息。该缓冲区之所以称为环形,因为读写都是按照环形队列方式操作的。

(1)环形队列的优点:

  • 读写同步问题容易解决记录
  • 记录的维护更加方便

(2)缺点:

  • 可能会丢失消息

4.syslogd和klogd

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。默认选择读取/proc方式实现。
  • 两种方法klogd都会阻塞,直到有新的内核消息可供读出,唤醒之后将消息传给syslogd。
  • 启动时,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,该文件默认是/var/log/messages。
  • 也可以通过/etc/syslog.conf配置文件重新指定。

5.从printf()到printk()的转换

四、oops

oops是内核告知用户有不幸发生的最常用的方式。

1.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

通常发送完oops之后,内核会处于一种不稳定状态。

2.关于oops发生的时机:

  1. 发生在中断上下文:内核根本无法继续,会陷入混乱,结果导致系统死机
  2. 发生在idle进程(pid为0)或init进程(pid为1),系统也会陷入混乱
  3. 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

3.oops发生的可能原因:

  1. 内存访问越界
  2. 非法的指令
  3. ……

4.ksymoops

将回溯线索中的地址转化成符号名称,调用ksymoops命令并提供System.map。

调用方法:

  • ksymoops saved_oops.txt

5.kallsyms

现在的版本中不需要使用kysmoops这个工具,因为可能会发生很多问题,新版本中引入了kallsyms特性:

  • CONFIG_KALLSYMS 定义配置选项启用。
  • CONFIG_KALLSYMS_ALL 存放函数名称;存放所有符号名称。
  • CONFIG_KALLSYMS_EXTRA_PASS 引起内核构建中再次忽略内核的目标代码。

五、内核调试配置选项

1.配置选项

为了方便调试和测试内核代码,内核提供了许多配置选项。它们都在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

2.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。

六、引发bug并打印信息

1.最常用的内核调用: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。

大部分体系结构把它们定义成某种非法操作,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();
或以更好的形状:
BUG_ON(bad_thing);

多数开发者认为BUG_ON()比BUG()更清晰、更可读。

2.BUILD_BUG_ON()

与BUG_ON()作用相同,仅在编译时调用。

3.panic()

可以用其引发更严重的错误,它不但会打印错误信息,还会挂起整个系统,所以,只应该在最糟糕的情况下使用它。

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

神奇的系统请求键(Magic SysRq key)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。

1.启动命令

echo  > /proc/sys/kernel/sysrq

八、内核调试器的传奇

1.gdb

(1)针对内核启动调试器的方法和对进程的方法大致相同

gdb vmlinux /proc/kcore

/*vmlinux文件是未压缩的内核映像;

/proc/kcore是一个参数选项,作为core文件来用,只有超级用户才能读取此文件的数据。
*/

(2)打印一个变量的值

p global_variable

(3)反汇编一个函数

disassemble function

(4)局限性

  • 不能修改内核数据;
  • 不能单步执行内核代码;
  • 不能加断点

2.kgdb

是一个补丁,可在远端主机上通过串口利用gdb的所有功能对内核进行调试。

九、探测系统

1.使用uid作为选择条件

一般,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 !=) {
/* 老算法…… */
} else {
/* 新算法…… */
}

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。

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。

(1)方法

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.使用统计量

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:这种实现不是SMP安全的

4.重复频率限制

当系统的调试信息过多的时候,可以采取:

(1)重复频率限制

(2)发生次数限制

十、用二分查找法找出引发罪恶的变更

十一、使用Git进行二分搜索

$ git bisect start  ;进行二分搜索
$ git bisect bad <revision> ;引发提供一个出现问题的最高内核版本
$ git bisect bad ;若当前内核版本就是bug的元凶,那不必提供内核版本
$ git bisect good v2.6.28 ;最新可正常运行的内核版本 $ git bisect good ;这个版本正常
$ git bisect bad ;这个版本有异常

十二、当所有努力都失败时:社区

  • Linux内核邮件列表(LKML)

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