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Note

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Original:

Debugging kernel and modules via gdb

Translator:

高超 gao chao <gaochao49@huawei.com>

通過gdb調試內核和模塊

Kgdb內核調試器、QEMU等虛擬機管理程序或基於JTAG的硬件接口,支持在運行時使用gdb 調試Linux內核及其模塊。Gdb提供了一個強大的python腳本接口,內核也提供了一套 輔助腳本以簡化典型的內核調試步驟。本文檔爲如何啓用和使用這些腳本提供了一個簡要的教程。 此教程基於QEMU/KVM虛擬機,但文中示例也適用於其他gdb stub。

環境配置要求

  • gdb 7.2+ (推薦版本: 7.4+) 且開啓python支持 (通常發行版上都已支持)

設置

  • 創建一個QEMU/KVM的linux虛擬機(詳情請參考 www.linux-kvm.org 和 www.qemu.org )。 對於交叉開發,https://landley.net/aboriginal/bin 提供了一些鏡像和工具鏈, 可以幫助搭建交叉開發環境。

  • 編譯內核時開啓CONFIG_GDB_SCRIPTS,關閉CONFIG_DEBUG_INFO_REDUCED。 如果架構支持CONFIG_FRAME_POINTER,請保持開啓。

  • 在guest環境上安裝該內核。如有必要,通過在內核command line中添加“nokaslr”來關閉KASLR。 此外,QEMU允許通過-kernel、-append、-initrd這些命令行選項直接啓動內核。 但這通常僅在不依賴內核模塊時纔有效。有關此模式的更多詳細信息,請參閱QEMU文檔。 在這種情況下,如果架構支持KASLR,應該在禁用CONFIG_RANDOMIZE_BASE的情況下構建內核。

  • 啓用QEMU/KVM的gdb stub,可以通過如下方式實現

    • 在VM啓動時,通過在QEMU命令行中添加“-s”參數

    • 在運行時通過從QEMU監視控制檯發送“gdbserver”

  • 切換到/path/to/linux-build(內核源碼編譯)目錄

  • 啓動gdb:gdb vmlinux

    注意:某些發行版可能會將gdb腳本的自動加載限制在已知的安全目錄中。 如果gdb報告拒絕加載vmlinux-gdb.py(相關命令找不到),請將:

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

    添加到~/.gdbinit。更多詳細信息,請參閱gdb幫助信息。

  • 連接到已啓動的guest環境:

    (gdb) target remote :1234
    

使用Linux提供的gdb腳本的示例

  • 加載模塊(以及主內核)符號:

    (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
    
  • 對一些尚未加載的模塊中的函數函數設置斷點,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.
    
  • 繼續執行:

    (gdb) c
    
  • 加載模塊並且能觀察到正在加載的符號以及斷點命中:

    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);
    
  • 查看內核的日誌緩衝區:

    (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
    ....
    
  • 查看當前task struct結構體的字段(僅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"
    
  • 對當前或指定的CPU使用per-cpu函數:

    (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"
    }
    

命令和輔助調試功能列表

命令和輔助調試功能可能會隨着時間的推移而改進,此文顯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

可以通過“help <command-name>”或“help function <function-name>”命令 獲取指定命令或指定調試功能的更多詳細信息。