第十八章 调试
内核级开发的调试工作远比用户级开发艰难的多。
一、准备开始
准备工作需要的是：
- 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
在这一章里，调试的主要思想是让bug重现，但是在内核中这并不是很容易做到的。因此，在跟踪bug的时候，掌握的信息越多越好。
二、内核中的bug
内核bug的原因可能有：
- 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
- ……
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
- ……
内核开发比起用户开发要多考虑一些独特的问题，比如：
- 定时限制
- 竞争条件
- ……
原因是允许多个线程在内核中同时运行。
三、通过打印来调试
这里说的打印是指的内核的格式化打印函数printk()，因为它有自己的一些特殊的功能：
1.健壮性
健壮性的意思是，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。
弹性极佳。
唯一的例外是【在系统启动过程的初期就要输出】这种情况，需要用early_printk()代替，两者功能完全相同。
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。
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，也就是说：
0 KERN_EMERG 最重要
……
7 KERN_DEBUG 最不重要
对于调试信息， 有两种赋予记录等级的方法：
- 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。
- 给所有调试信息KERN_DEBUG等级，调整终端的默认记录等级。
3.记录缓冲区
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。
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。
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。
缺点：
可能会丢失消息。
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。
四、oops
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
通常发送完oops之后，内核会处于一种不稳定状态。
关于oops发生的时机：
- 发生在中断上下文：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
oops发生的可能原因：
- 内存访问越界
- 非法的指令
- ……
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
1.ksymoops
回溯线索中的地址需要转化成有意义的符号名称
——需要调用ksymoops命令。
并且还必须提供编译内核时产生的System.map。如果用的是模块，还需要一些模块信息。
kysmoop saved_oops.txt
2.kallsyms
现在的版本中不需要使用sysmoops这个工具，因为可能会发生很多问题，新版本中引入了kallsyms疼，可以通过定义CONFIG_KALLSYMS配置选项启用。
五、内核调试配置选项
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
- ……
六、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：
if (bad_thing)
BUG();
或：
BUG_ON(bad_thing);
2.BUILD_BUG_ON()
与BUG_ON()作用相同，仅在编译时调用。
3.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。
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
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
Sysrq的几个命令：
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
……参见以下表格：
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。
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。
八、内核调试器的传奇
1.gdb
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: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
可以使用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
-g参数还可以提供更多的信息。
局限性：
- 没有办法修改内核数据
- 不能单步执行内核代码
2.kgdb
是一个补丁 ，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。
需要两台计算机：仪态运行带有kgdb补丁的内核，第二胎通过串行线使用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
九、探测系统
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。
例如：
if (current-> uid !=7777) {
/* 老算法…… */
} else {
/* 新算法…… */
}
即，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。
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。
操控方式：某种接口，或者调试器。
3.使用统计量
这种方法常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。
定义全局变量
在/proc目录中创建一个文件
or新建一个系统调用
or通过调试器直接访问（最直接）
注：不是SMP安全的，更好的方式是用原子操作。
4.重复频率限制
当系统的调试信息过多的时候，有两种方式可以防止这类问题发生：
- 重复频率限制
- 发生次数限制
（1）重复频率限制
就是限制调试信息，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
这种方法是要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。
※用到的变量需要是**静态的、局部的。
注：不是SMP安全，不是抢占安全，更好的方式是用院子操作。
十、二分搜索的妙用
很多时候，内核的更新会带来bug，那么是哪一个内核版本带来的bug？可以使用二分法搜索。
我们可以利用GIT来实现这一步骤。
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
这之后，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。
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将在吗诶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。
总结：
这一章中 ，我学到了有关内核bug和调试的很多知识，只是就目前看来它离我还比较远，需要在今后的学习过程中不断加深认识和理解。