4.1 Linux 内核调试

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4.1 Linux 内核调试

准备工作

与用户态程序不同，为了进行内核调试，我们需要两台机器，一台调试，另一台被调试。在调试机上需要安装必要的调试器（如GDB），被调试机上运行着被调试的内核。

这里选择用 Ubuntu16.04 来展示，因为该发行版默认已经开启了内核调试支持：

$ cat /boot/config-4.13.0-38-generic | grep GDB
# CONFIG_CFG80211_INTERNAL_REGDB is not set
CONFIG_SERIAL_KGDB_NMI=y
CONFIG_GDB_SCRIPTS=y
CONFIG_HAVE_ARCH_KGDB=y
CONFIG_KGDB=y
CONFIG_KGDB_SERIAL_CONSOLE=y
# CONFIG_KGDB_TESTS is not set
CONFIG_KGDB_LOW_LEVEL_TRAP=y
CONFIG_KGDB_KDB=y

获取符号文件

下面我们来准备调试需要的符号文件。看一下该版本的 code name：

$ lsb_release -c
Codename: xenial

然后在下面的目录下新建文件 ddebs.list，其内容如下（注意看情况修改Codename）：

$ cat /etc/apt/sources.list.d/ddebs.list
deb http://ddebs.ubuntu.com/ xenial      main restricted universe multiverse
deb http://ddebs.ubuntu.com/ xenial-security main restricted universe multiverse
deb http://ddebs.ubuntu.com/ xenial-updates  main restricted universe multiverse
deb http://ddebs.ubuntu.com/ xenial-proposed main restricted universe multiverse

http://ddebs.ubuntu.com 是 Ubuntu 的符号服务器。执行下面的命令添加密钥：

$ wget -O - http://ddebs.ubuntu.com/dbgsym-release-key.asc | sudo apt-key add -

然后就可以更新并下载符号文件了：

$ sudo apt-get update
$ uname -r
4.13.0-38-generic
$ sudo apt-get install linux-image-4.13.0-38-generic-dbgsym

完成后，符号文件将会放在下面的目录下：

$ file /usr/lib/debug/boot/vmlinux-4.13.0-38-generic
/usr/lib/debug/boot/vmlinux-4.13.0-38-generic: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), statically linked, BuildID[sha1]=f00f4b7ef0ab8fa738b6a9caee91b2cbe23fef97, not stripped

可以看到这是一个静态链接的可执行文件，使用 gdb 即可进行调试，例如这样：

$ gdb -q /usr/lib/debug/boot/vmlinux-4.13.0-38-generic
Reading symbols from /usr/lib/debug/boot/vmlinux-4.13.0-38-generic...done.
gdb-peda$ p init_uts_ns
$1 = {
  kref = {
    refcount = {
      refs = {
        counter = 0x2
      }
    }
  },
  name = {
    sysname = "Linux", '\000' <repeats 59 times>,
    nodename = "(none)", '\000' <repeats 58 times>,
    release = "4.13.0-38-generic", '\000' <repeats 47 times>,
    version = "#43~16.04.1-Ubuntu SMP Wed Mar 14 17:48:43 UTC 2018", '\000' <repeats 13 times>,
    machine = "x86_64", '\000' <repeats 58 times>,
    domainname = "(none)", '\000' <repeats 58 times>
  },
  user_ns = 0xffffffff822517a0 <init_user_ns>,
  ucounts = 0x0 <irq_stack_union>,
  ns = {
    stashed = {
      counter = 0x0
    },
    ops = 0xffffffff81e2cc80 <utsns_operations>,
    inum = 0xeffffffe
  }
}

获取源文件

将 /etc/apt/sources.list 里的 deb-src 行都取消掉注释：

$ sed -i '/^#\sdeb-src /s/^#//' "/etc/apt/sources.list"

然后就可以更新并获取 Linux 内核源文件了：

$ sudo apt-get update
$ mkdir -p ~/kernel/source
$ cd ~/kernel/source
$ apt-get source $(dpkg-query '--showformat=${source:Package}=${source:Version}' --show linux-image-$(uname -r))

$ ls linux-hwe-4.13.0/
arch     CREDITS     debian.master  firmware  ipc      lib          net      security        tools   zfs
block    crypto      Documentation  fs        Kbuild   MAINTAINERS  README   snapcraft.yaml  ubuntu
certs    debian      drivers        include   Kconfig  Makefile     samples  sound           usr
COPYING  debian.hwe  dropped.txt    init      kernel   mm           scripts  spl

printk

在用户态程序中，我们常常使用 printf() 来打印信息，方便调试，在内核中也可以这样做。内核（v4.16.3）使用函数 printk() 来输出信息，在 include/linux/kern_levels.h 中定义了 8 个级别：

#define KERN_EMERG  KERN_SOH "0"  /* system is unusable */
#define KERN_ALERT  KERN_SOH "1"  /* action must be taken immediately */
#define KERN_CRIT KERN_SOH "2"  /* critical conditions */
#define KERN_ERR  KERN_SOH "3"  /* error conditions */
#define KERN_WARNING  KERN_SOH "4"  /* warning conditions */
#define KERN_NOTICE KERN_SOH "5"  /* normal but significant condition */
#define KERN_INFO KERN_SOH "6"  /* informational */
#define KERN_DEBUG  KERN_SOH "7"  /* debug-level messages */

用法是：

printk(KERN_EMERG "hello world!\n");  // 中间没有逗号

而当前控制台的日志级别如下所示：

$ cat /proc/sys/kernel/printk
4       4       1       4

这 4 个数值在文件定义及默认值在如下所示：

// kernel/printk/printk.c

int console_printk[4] = {
  CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,	/* console_loglevel */
  MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT,	/* default_message_loglevel */
  CONSOLE_LOGLEVEL_MIN,		/* minimum_console_loglevel */
  CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,	/* default_console_loglevel */
};


// include/linux/printk.h

/* printk's without a loglevel use this.. */
#define MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT CONFIG_MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT

/* We show everything that is MORE important than this.. */
#define CONSOLE_LOGLEVEL_MIN	 1 /* Minimum loglevel we let people use */

/*
 * Default used to be hard-coded at 7, we're now allowing it to be set from
 * kernel config.
 */
#define CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT CONFIG_CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT

#define console_loglevel (console_printk[0])
#define default_message_loglevel (console_printk[1])
#define minimum_console_loglevel (console_printk[2])
#define default_console_loglevel (console_printk[3])

虽然这些数值控制了当前控制台的日志级别，但使用虚拟文件 /proc/kmsg 或者命令 dmesg 总是可以查看所有的信息。

QEMU + gdb

QEMU 是一款开源的虚拟机软件，可以使用它模拟出一个完整的操作系统（参考章节2.1.1）。这里我们介绍怎样使用 QEMU 和 gdb 进行内核调试，关于 Linux 内核的编译可以参考章节 1.5.9。

接下来我们需要借助 BusyBox 来创建用户空间：

$ wget -c http://busybox.net/downloads/busybox-1.28.3.tar.bz2
$ tar -xvjf busybox-1.28.3.tar.bz2
$ cd busybox-1.28.3/

生成默认配置文件并修改 CONFIG_STATIC=y 让它生成的是一个静态链接的 BusyBox，这是因为 qemu 中没有动态链接库：

$ make defconfig
$ cat .config | grep "CONFIG_STATIC"
CONFIG_STATIC=y

编译安装后会出现在 _install 目录下：

$ make
$ sudo make install
$ ls _install
bin  linuxrc  sbin  usr

接下来创建 initramfs 的目录结构：

$ mkdir initramfs
$ cd initramfs
$ cp ../_install/* -rf ./
$ mkdir dev proc sys
$ sudo cp -a /dev/null /dev/console /dev/tty /dev/tty2 /dev/tty3 /dev/tty4 dev/
$ rm linuxrc
$ vim init      # 创建启动脚本
$ cat init
#!/bin/busybox sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys

exec /sbin/init

最后把它们打包：

$ find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz

这样 initramfs 根文件系统就做好了，其中包含了必要的设备驱动和工具，boot loader 会加载 initramfs 到内存，然后内核将其挂载到根目录 /，并运行 init 脚本，挂载真正的磁盘根文件系统。

QEMU 启动!

$ qemu-system-x86_64 -s -S -kernel ~/kernelbuild/linux-4.16.3/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd ~/kernelbuild/busybox-1.28.3/initramfs.cpio.gz -nographic -append "console=ttyS0"

-s：-gdb tcp::1234 的缩写，QEMU 监听在 TCP 端口 1234，等待 gdb 的连接。
-S：在启动时冻结 CPU，等待 gdb 输入 c 时继续执行。
-kernel：指定内核。
-initrd：指定 initramfs。
nographic：禁用图形输出并将串行 I/O 重定向到控制台。
-append "console=ttyS0：所有内核输出到 ttyS0 串行控制台，并打印到终端。

在另一个终端里使用打开 gdb，然后尝试在函数 cmdline_proc_show() 处下断点：

$ gdb -ex "target remote localhost:1234" ~/kernelbuild/linux-4.16.3/vmlinux
(gdb) b cmdline_proc_show
Breakpoint 1 at 0xffffffff8121ad70: file fs/proc/cmdline.c, line 9.
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 1, cmdline_proc_show (m=0xffff880006701b00, v=0x1 <irq_stack_union+1>) at fs/proc/cmdline.c:9
9               seq_printf(m, "%s\n", saved_command_line);

可以看到，当我们在内核里执行 cat /proc/cmdline 时就被断下来了。

# id
uid=0 gid=0
# echo hello kernel!
hello kernel!
# cat /proc/cmdline
console=ttyS0

现在我们已经可以对内核代码进行单步调试了。对于内核模块，我们同样可以进行调试，但模块是动态加载的，gdb 不会知道这些模块被加载到哪里，所以需要使用 add-symbol-file 命令来告诉它。

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

static int hello_init(void)
{
        printk(KERN_ALERT "Hello module!\n");
        return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
        printk(KERN_ALERT "Goodbye module!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("A simple module.");

Makefile 如下：

BUILDPATH := ~/kernelbuild/linux-4.16.3/
obj-m += hello.o

all:
        make -C $(BUILDPATH) M=$(PWD) modules

clean:
        make -C $(BUILDPATH) M=$(PWD) clean

编译模块并将 .ko 文件复制到 initramfs，然后重新打包：

$ make && cp hello.ko ~/kernelbuild/busybox-1.28.3/initramfs
$ cd ~/kernelbuild/busybox-1.28.3/initramfs
$ find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz

最后重新启动 QEMU 即可：

# insmod hello.ko
[    7.887392] hello: loading out-of-tree module taints kernel.
[    7.892630] Hello module!
# lsmod
hello 16384 0 - Live 0xffffffffa0000000 (O)
# rmmod hello.ko
[   24.523830] Goodbye module!

三个命令分别用于载入、列出和卸载模块。

再回到 gdb 中，add-symbol-file 添加模块的 .text、.data 和 .bss 段的地址，这些地址在类似 /sys/kernel/<module>/sections 位置：

# cat /sys/module/hello/sections/.text
0x00000000fa16acc0

在这个例子中，只有 .text 段：

(gdb) add-symbol-file ~/kernelbuild/busybox-1.28.3/initramfs/hello.ko 0x00000000fa16acc0

然后就可以对该模块进行调试了。

kdb

参考资料

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