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Note

如果您发现本文档与原始文件有任何不同或者有翻译问题,请联系该文件的译者, 或者请求时奎亮的帮助:<alexs@kernel.org>。

Original:

Debugging kernel and modules via gdb

Translator:

高超 gao chao <gaochao49@huawei.com>

通过gdb调试内核和模块

Kgdb内核调试器、QEMU等虚拟机管理程序或基于JTAG的硬件接口,支持在运行时使用gdb 调试Linux内核及其模块。Gdb提供了一个强大的python脚本接口,内核也提供了一套 辅助脚本以简化典型的内核调试步骤。本文档为如何启用和使用这些脚本提供了一个简要的教程。 此教程基于QEMU/KVM虚拟机,但文中示例也适用于其他gdb stub。

环境配置要求

  • gdb 7.2+ (推荐版本: 7.4+) 且开启python支持 (通常发行版上都已支持)

设置

  • 创建一个QEMU/KVM的linux虚拟机(详情请参考 www.linux-kvm.org 和 www.qemu.org )。 对于交叉开发,https://landley.net/aboriginal/bin 提供了一些镜像和工具链, 可以帮助搭建交叉开发环境。

  • 编译内核时开启CONFIG_GDB_SCRIPTS,关闭CONFIG_DEBUG_INFO_REDUCED。 如果架构支持CONFIG_FRAME_POINTER,请保持开启。

  • 在guest环境上安装该内核。如有必要,通过在内核command line中添加“nokaslr”来关闭KASLR。 此外,QEMU允许通过-kernel、-append、-initrd这些命令行选项直接启动内核。 但这通常仅在不依赖内核模块时才有效。有关此模式的更多详细信息,请参阅QEMU文档。 在这种情况下,如果架构支持KASLR,应该在禁用CONFIG_RANDOMIZE_BASE的情况下构建内核。

  • 构建gdb脚本(适用于内核v5.1版本及以上)

    make scripts_gdb

  • 启用QEMU/KVM的gdb stub,可以通过如下方式实现

    • 在VM启动时,通过在QEMU命令行中添加“-s”参数

    • 在运行时通过从QEMU监视控制台发送“gdbserver”

  • 切换到/path/to/linux-build(内核源码编译)目录

  • 启动gdb:gdb vmlinux

    注意:某些发行版可能会将gdb脚本的自动加载限制在已知的安全目录中。 如果gdb报告拒绝加载vmlinux-gdb.py(相关命令找不到),请将:

    add-auto-load-safe-path /path/to/linux-build
    

    添加到~/.gdbinit。更多详细信息,请参阅gdb帮助信息。

  • 连接到已启动的guest环境:

    (gdb) target remote :1234
    

使用Linux提供的gdb脚本的示例

  • 加载模块(以及主内核)符号:

    (gdb) lx-symbols
    loading vmlinux
    scanning for modules in /home/user/linux/build
    loading @0xffffffffa0020000: /home/user/linux/build/net/netfilter/xt_tcpudp.ko
    loading @0xffffffffa0016000: /home/user/linux/build/net/netfilter/xt_pkttype.ko
    loading @0xffffffffa0002000: /home/user/linux/build/net/netfilter/xt_limit.ko
    loading @0xffffffffa00ca000: /home/user/linux/build/net/packet/af_packet.ko
    loading @0xffffffffa003c000: /home/user/linux/build/fs/fuse/fuse.ko
    ...
    loading @0xffffffffa0000000: /home/user/linux/build/drivers/ata/ata_generic.ko
    
  • 对一些尚未加载的模块中的函数函数设置断点,例如:

    (gdb) b btrfs_init_sysfs
    Function "btrfs_init_sysfs" not defined.
    Make breakpoint pending on future shared library load? (y or [n]) y
    Breakpoint 1 (btrfs_init_sysfs) pending.
    
  • 继续执行:

    (gdb) c
    
  • 加载模块并且能观察到正在加载的符号以及断点命中:

    loading @0xffffffffa0034000: /home/user/linux/build/lib/libcrc32c.ko
    loading @0xffffffffa0050000: /home/user/linux/build/lib/lzo/lzo_compress.ko
    loading @0xffffffffa006e000: /home/user/linux/build/lib/zlib_deflate/zlib_deflate.ko
    loading @0xffffffffa01b1000: /home/user/linux/build/fs/btrfs/btrfs.ko
    
    Breakpoint 1, btrfs_init_sysfs () at /home/user/linux/fs/btrfs/sysfs.c:36
    36              btrfs_kset = kset_create_and_add("btrfs", NULL, fs_kobj);
    
  • 查看内核的日志缓冲区:

    (gdb) lx-dmesg
    [     0.000000] Initializing cgroup subsys cpuset
    [     0.000000] Initializing cgroup subsys cpu
    [     0.000000] Linux version 3.8.0-rc4-dbg+ (...
    [     0.000000] Command line: root=/dev/sda2 resume=/dev/sda1 vga=0x314
    [     0.000000] e820: BIOS-provided physical RAM map:
    [     0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000000000-0x000000000009fbff] usable
    [     0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000000009fc00-0x000000000009ffff] reserved
    ....
    
  • 查看当前task struct结构体的字段(仅x86和arm64支持):

    (gdb) p $lx_current().pid
    $1 = 4998
    (gdb) p $lx_current().comm
    $2 = "modprobe\000\000\000\000\000\000\000"
    
  • 对当前或指定的CPU使用per-cpu函数:

    (gdb) p $lx_per_cpu("runqueues").nr_running
    $3 = 1
    (gdb) p $lx_per_cpu("runqueues", 2).nr_running
    $4 = 0
    
  • 使用container_of查看更多hrtimers信息:

    (gdb) set $next = $lx_per_cpu("hrtimer_bases").clock_base[0].active.next
    (gdb) p *$container_of($next, "struct hrtimer", "node")
    $5 = {
      node = {
        node = {
          __rb_parent_color = 18446612133355256072,
          rb_right = 0x0 <irq_stack_union>,
          rb_left = 0x0 <irq_stack_union>
        },
        expires = {
          tv64 = 1835268000000
        }
      },
      _softexpires = {
        tv64 = 1835268000000
      },
      function = 0xffffffff81078232 <tick_sched_timer>,
      base = 0xffff88003fd0d6f0,
      state = 1,
      start_pid = 0,
      start_site = 0xffffffff81055c1f <hrtimer_start_range_ns+20>,
      start_comm = "swapper/2\000\000\000\000\000\000"
    }
    

命令和辅助调试功能列表

命令和辅助调试功能可能会随着时间的推移而改进,此文显示的是初始版本的部分示例:

(gdb) apropos lx
function lx_current -- Return current task
function lx_module -- Find module by name and return the module variable
function lx_per_cpu -- Return per-cpu variable
function lx_task_by_pid -- Find Linux task by PID and return the task_struct variable
function lx_thread_info -- Calculate Linux thread_info from task variable
lx-dmesg -- Print Linux kernel log buffer
lx-lsmod -- List currently loaded modules
lx-symbols -- (Re-)load symbols of Linux kernel and currently loaded modules

可以通过“help <command-name>”或“help function <function-name>”命令 获取指定命令或指定调试功能的更多详细信息。