《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：

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
发生在idle进程（pid为0）或init进程（pid为1），系统也会陷入混乱
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：

内存访问越界
非法的指令
……

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）