Linux内核设计与实现第五周读书笔记

时间：2023-12-19 18:07:14

第十八章 调试

18.1准备开始

需要的只是：

  • 一个确定的bug。大部分bug通常都不是行为可靠而且定义明确的。
  • 一个藏匿bug的内核版本。
  • 相关的内核代码的知识和运气。

18.2内核中的bug

  • 内核中的bug多种多样，它们的产生可以有无数的原因，同时他们的表象也变化多端。
  • 从隐藏在源代码中的错误到展现在目击者面前的bug，往往都是经历一系列连锁反应的事件才可能触发。
  • 内核与其他大型的软件项目没有什么太大的不同。
  • 内核有一些独特的问题需要考虑：例如定时限制和竞争条件等，它们都是允许多个线程在内核中同时运行产生的结果。

18.3通过打印来调试

printk()就是内核的格式化打印函数。

18.3.1健壮性

  • 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，而且调用者连锁都不必使用。
  • 它是一个弹性极佳的函数，就在于它随时都能被调用。
  • 除非在启动过程的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。

printk的输出日志级别如下:

  • KERN_ EMERG 一个紧急情况
  • KERN_ ALERT 一个需要立即被注意到的错误
  • KERN_ CRIT 一个临界情况
  • KERN_ ERR 一个错误
  • KERN_ WARNING 一个警告
  • KERN_ NOTICE 一个普通的, 不过也有可能需要注意的情况
  • KERN_ INFO 一条非正式的消息
  • KERN_ DEBUG 一条调试信息--一般是冗余信息

如果没有指定一个记录等级，函数会选用默认的DEFAULT_MASSAGE_LOGLEVEL。

内核将最重要的记录等级KERN_EMERG定位“<0>”，将无关紧要的记录等级“KERN_DEBUG”定位“<7>”。

按照你的想法赋予记录等级。一种选择是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。相反，也可以给所有调试信息KERN_DEBUG等级，而调整终端的默认记录等级。

18.3.3记录缓冲区

内核消息都被保存在一个LOG_BUF_LEN大小的环形队列中。该缓冲区大小是可以在编译时通过CONFIG_LOG_BUF_SHIFT进行调整。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，如果消息队列已经达到最大值，新消息将会覆盖队列中的老消息。读写都是按照环形队列方式操作的。

同步问题易解决，记录维护起来也更容易。但可能会丢失消息

18.3.4syslogd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。
  • klogd程序既可以从/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，它选择读取/proc方式实现。
  • klogd都会阻塞，直到有新的内核消息可供读出。
  • syslogd守护进程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。
  • 在启动klogd时，可以通过指定-c标志来改变终端的记录等级。

18.4oops

  • oops是内核告知用户有不幸发生的最常用的方式。它很难自我修复，它也不能将自己杀死，内核只能发布oops。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。如果oops在中断上下文时发生，内核根本无法继续，它会陷入混乱，混乱的结果就是系统死机。如果oops在idle进程或init进程（0号进程和1号进程）时发生，结果同样是系统陷入混乱，因为内核缺了这两个重要的进程根本就无法工作。oops在其他进程运行时发生，内核就会杀死该进程并尝试着继续执行。

  • oops的产生有很多可能原因，其中包括内存访问越界或者非法的指令等。oops中包含的重要信息对于所有体系结构都是完全相同的：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。寄存器数据可以帮助你重建引发问题的现场。

18.4.1ksymoops

回溯线索中的地址需要转化成有意义的符号名称才方便使用。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。如果使用的是模块，还需要一些模块信息：kysmoop saved_oops.txt。

18.4.2kallsyms

  • 已经无须使用kysmoops工具了，因为可能会发生很多问题，新版本中引入了kallsyms特性，它可以通过定义CONFIG_KALLSYMS配置选项启用。
  • 这样做会使内核变大一些，因为从函数的地址到符号名称的映射必须永久地驻留在内核所映射的内存地址上。

18.5内核调试配置选项

这些选项都在内核配置编辑器的内核开发菜单项中，它们都依赖于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

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进行的就是原子操作。使用锁时睡眠是引发死锁的元凶。内核提供了一个原子操作计数器。

18.6引发bug并打印信息

最常用的两个是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：

if (bad_thing)

BUG();

或

BUG_ON(bad_thing);

BUILD_BUG_ON()与BUG_ON()作用相同，仅在编译时调用。

可以用panic()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

该功能可以通过定义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，需要启用它时使用如下命令：echo 1 > /proc/sys/kernel/sysrq

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。

18.8内核调试器的传奇

18.8.1gdb

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

  • vmlinx文件是未经压缩的内核映像，不是压缩过的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。

gdb还是有很多局限性的。它没有办法修改内核数据。它也不能单步执行内核代码，不能加断点。

18.8.2kgdb

kgdb是一个补丁 ，它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。

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

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…… */

}

除了uid=7777的用户以外，其他所有的用户都是用的老算法，可以创建一个UID为7777的用户，专门来测试新算法。

18.9.2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。只需要创建一个全局变量作为一个条件选择开关。如果该变量为零，就使用一个分支上的代码；否则，就选择另外一个分支。可以通过某种接口提供对这个变量的操控，也可以直接通过调试器进行操控。

18.9.3使用统计量

通过创建统计量并提供某种机制访问其统计结果。

定义两个全局变量：可以在/proc目录中创建一个文件，还可以新建一个系统调用，最简单的办法还是通过调试器直接访问它们。

注意，这种实现并非是SMP安全的，理想的办法是通过原子操作进行实现。

18.9.4重复频率限制

有两种方式可以防止这类问题发生：

  • 重复频率限制

调试信息，最多两秒打印一次，可以根据自己的需要或高或低地调整这种重复频率。

  • 发生次数限制

用到的变量都应该是静态的，并且应该限制在函数局部范围以内，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。

都不是SMP安全或抢占安全的，不过，只需要用原子操作改造一下就没问题了。

18.10用二分查找法找出引发罪恶的变更

需要：

  • 一个可靠的可复制的错误
  • 一个确保没有问题的内核
  • 一个肯定有问题的内核

可以在问题内核和良好的内核之间使用二分法，重复筛选。

18.11使用git进行二分搜索

告诉git要进行二分搜索：git bisect start

提供一个出现问题的最早内核版本：git bisect bad <revision>

如果当前版本就是引发bug的最初版本，则使用：git bisect bad

提供一个最新的可正常运行的内核版本：git bisect good <revision>

接下来，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。接着再编译、运行以及测试正被检测的版本。

如果这个版本正常：git bisect good

如果这个版本运行有异常：git bisect bad

对于每一个命令，git将在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。反复执行直到不能再进行二分搜索为止，最终git会打印出有问题的版本号。

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