使用 KGDB 调试 Linux 内核
2010-10-26 13:24
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* 简介 从 2.6.25 开始,Linux 主干内核开始内置了代码级调试器 kgdb。通过 kgdb,开发者就可以在内核代码中设置断点,单步调试和观察变量。为了使用 kgdb,你需要有两个系统。一个作为开发系统,一个作为测试系统嗯。两台机器通过串口线连接。需要调试的内核运行在测试己其上。串口线用于 gdb 连接远程目标。kgdb 已经还可以支持通过以太网连接两台机器,不过目前内核中(2.6.26)还没有这部分代码。 本文通过 qemu 模拟器运行 2.6.26 的 内核作为测试系统,并通过 qemu 的虚拟TCP串口设备功能,使开发系统的 gdb 可以通过连接本地 tcp 端口调试内核。本文使用的开发系统: Fedora 9, 2.6.25.10-86.fc9.i686 QEMU PC emulator version 0.9.1, Copyright (c) 2003-2008 Fabrice Bellard GNU gdb Fedora (6.8-11.fc9) gcc (GCC) 4.3.0 20080428 (Red Hat 4.3.0-8) 注:当使用 qemu 的时候, 可以直接使用 qemu -s -S 功能调试,不需要 KGDB 的支持,这里的例子是模拟一个类似调试真实平台的例子。 * 配置和启动 1. 内核选项 kgdb 选项 : CONFIG_KGDB=y CONFIG_KGDB_SERIAL_CONSOLE=y 选项在 Kernel hacking 里可以找到 同时,为了能在系统运行时中断系统并出发远程 gdb,必须打开内核 Magic Sys-Rq 键选项 : CONFIG_MAGIC_SYSRQ=y 打开内核符号调试: CONFIG_DEBUG_INFO=y 注意事项: CONFIG_DEBUG_RODATA 必须被禁用,否则kgdb讲无法正常使用。 2. 启动 qemu 代码: qemu ${QEMU_ARGS} / -kernel "$VMLINUZ" / -append "${KERNEL_CMDLINE} kgdboc=ttyS0,115200 kgdbwait" / -serial tcp::${KGDB_TCPPORT},server / -hda "${QEMU_HDA}" >/dev/null & qemu 选项中: -kernel 编译好的内核,压缩过的 -append 传给 kernel 的命令行选项 -serial 使系统的第一个串口与本地的 TCP 端口关联起来,用于模拟终端,这样gdb就可以连接到目标系统而不用串口线了。 -hda 用于运行开发系统的Linux系统qemu硬盘。你也可以在用 nfs root 启动系统,但qemu必须要求你指定至少一个qemu硬盘,你可以使用空的硬盘,用qemu-img工具创建。 kernel 选项中: kgdboc 的意思是 kgdb over console,这里将kgdb连接的console设置为ttyS0,波特率为115200 kgdbwait 使 kernel 在启动过程中等待 gdb 的连接。 3. gdb 连接测试系统 qemu 启动后会等待 gdb 连接 tcp 端口以启动模拟串口。 运行下面的命令启动gdb,如果没设置KGDB_GDB变量,默认用 gdbtui 启动,其中 VMLINUX 是未压缩的 kernel 文件。 ${KGDB_GDB:-gdbtui} $VMLINUX 设置波特率 (gdb) set remotebaud 115200 连接目标 (gdb) target remote tcp:localhost:${KGDB_TCPPORT} 连接成功后由于启动了 kgdbwait 选项,kgdb 会在内核启动的某个阶段得到控制权: 代码: Remote debugging using tcp:localhost:4555 kgdb_register_io_module (new_kgdb_io_ops=<value optimized out>) at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/kernel/kgdb.c:1674 (gdb) 现在就可以开始使用 kgdb 调试内核了。 * 基本功能 1. 杀死 gdb 如果 gdb 遇到问题无法相应了,可以在测试系统上运行下列命令中断调试: 代码: echo -e "/003" > /dev/ttyS1 如果你重启系统了,gdb 也需要重新连接系统。 2. 中断测试系统 为了在测试系统运行的时候让 gdb 获得控制权,需要使用 Sys-Rq。关于 Sys-Rq 的详细设置方法,见 Documentation/sysrq.txt。 你可以在系统运行时键盘上输入 Sys Rq+g,然后 gdb 就会出现: 代码: Program received signal SIGTRAP, Trace/breakpoint trap. [Switching to Thread -1] sysrq_handle_gdb (key=103, tty=0xc7869800) at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/kernel/kgdb.c:1674 (gdb) 如果你不知道如何在键盘上输入,或者你需要程序控制,则可以用下列等价命令模拟: 代码: # echo g > /proc/sysrq-trigger 3. 继续执行测试系统 代码: (gdb) c 即可 4. 设置断点,查询变量,单步调试,和调用堆栈 这些都和调试普通程序一样,比如: 代码: (gdb) b sys_open Breakpoint 1 at 0xc046d268: file /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/ fs/open.c, line 1107. (gdb) c Continuing. [New Thread 612] [Switching to Thread 612] Breakpoint 1, sys_open (filename=0xb7f68a9c "/etc/ld.so.cache", flags=0, mode=0) at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/fs/open.c:1107 (gdb) p filename $1 = 0xb7f68a9c "/etc/ld.so.cache" (gdb)n (gdb)bt #0 sys_open (filename=0xb7f68a9c "/etc/ld.so.cache", flags=0, mode=0) at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/fs/open.c:1113 #1 0xc0403976 in system_call () at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/arch/x86/kernel/entry_32.S :377 #2 0x00000000 in ?? () 5. 局限性 kgdb 不支持 tracepoints 和 watchpoints,除非有硬件调试器支持。 kgdb 的 threads 也无法正常使用。 * GDB 脚本 gdb 可以定义 sequences 脚本, 功能局限,但是可以用来简化一些工作。比如在 gdb 调试状态下 lsmod 的脚本: 代码: set $_lsmod_modules = modules->next # 1 10 15 printf "Module Size/n" while $_lsmod_modules != &modules set $_lsmod_module = (struct module*)((unsigned char*)$_lsmod_modules-(unsigned int)&(((struct module*)0)->list)) printf "%-15s %d/n", $_lsmod_module->name, $_lsmod_module->init_size + $_lsmod_module->core_size set $_lsmod_modules = $_lsmod_modules->next end 用 source 命令可以读入外部的 gdb 命令序列文件。 gdb 脚本最大的局限性在于,没有内置的字符串比较功能,比如我要得到一个(struct module*),我必须遍历模块列表然后做字符串匹配。这里我用了一个比较特殊的解决办法,我定义了两个gdb sequences : 代码: define xsrun if $argc == 0 printf "Usage : xsrun xsourcecmd args.../n" else shell rm -f /tmp/*.xsource shell echo 0 > /tmp/seq.xsource if $argc == 1 xsource '$arg0' end if $argc == 2 xsource '$arg0' '$arg1' end if $argc == 3 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' end if $argc == 4 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' end if $argc == 5 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' end if $argc == 6 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' end if $argc == 7 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' end if $argc == 8 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' end if $argc == 9 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8' end if $argc == 10 xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8' '$arg9' end end end define xsource if $argc == 1 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' end if $argc == 2 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' end if $argc == 3 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' end if $argc == 4 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' end if $argc == 5 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' end if $argc == 6 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' end if $argc == 7 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' end if $argc == 8 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' end if $argc == 9 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8' end if $argc == 10 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8' '$arg9' end if $argc > 0 source /tmp/current.xsource end end 其中 $TOOLSDIR/kgdb-xsource 是我自定义的一个寻找名字为 '$arg0' 的 xsource 脚本的工具,我的实现就是在某个目录下找名字为 $arg0 的文件: 代码: $ cat tools/kgdb-xsource #!/bin/bash . $(dirname "$0")/common.sh if [ "$#" == 0 ];then echo "kgdb-xsource xsourcecmd args...//n/"" > /tmp/current.xsource else XSOURCECMD=$1 shift XSOURCESEQ=$(cat /tmp/seq.xsource) XSOURCESEQ=$((${XSOURCESEQ}+1)) echo ${XSOURCESEQ} > /tmp/seq.xsource XSOURCEOFILE=/tmp/${XSOURCESEQ}-${XSOURCECMD}.xsource if [ -f "$XSOURCEDIR/$XSOURCECMD" ] && [ -x "$XSOURCEDIR/$XSOURCECMD" ];then $XSOURCEDIR/$XSOURCECMD "$@" > ${XSOURCEOFILE} rm -f /tmp/current.xsource ln -s ${XSOURCEOFILE} /tmp/current.xsource else echo "printf /"No such xsource command : $XSOURCECMD//n/"" > /tmp/current.xsource fi fi 这些脚本的目的就是,通过外部脚本生成 gdb 脚本,然后再让 gdb 执行。他首先寻找 xsource 脚本,然后运行它,得到的输出(gdb sequences)保存到 /tmp 下的某个文件中,并链接为 /tmp/current.xsource, 然后让 gdb 执行改文件。 比如 strcmp_vs 脚本,这个脚本就是为了比较内部变量和一个字符串的: 代码: $ cat tools/xsource.d/strcmp_vs #!/usr/bin/perl if (@ARGV != 3) { print "printf /"Usage : strcmp result var str//n/""; exit 1 } ($result, $var, $str) = @ARGV; print 'if '; $i = 0; for (0..length($str)-1) { $i = $_; $c = substr($str, $i, 1); print ' && ' if $i; print "${var}[$i] == '$c'"; } ++$i; print " && ${var}[$i] == '//0' set /$$result = 0 else set /$$result = -1 end "; 利用这个基本命令,我们现在就可以实现 getmod 功能拉: 代码: $ cat tools/xsource.d/getmod #!/bin/sh [ $# != 2 ] && echo "printf /"Usage : getmod modvar modname/n/"" && exit 1 MODVAR=$1 MODNAME=$2 cat <<EOF set /$_getmod_modules = modules->next set /$_getmod_modfound = 0 while /$_getmod_modules != &modules set /$_getmod_module = (struct module*)((unsigned char*)/$_getmod_modules-(unsigned int)&(((struct module*)0)->list)) xsource strcmp_vs _getmod_modfound /$_getmod_module->name $MODNAME if /$_getmod_modfound == 0 set /$$MODVAR = /$_getmod_module set /$_getmod_modfound = 1 loop_break end set /$_getmod_modules = /$_getmod_modules->next end if /$_getmod_modfound != 1 printf "Module //"$MODNAME//" cannot be found//n" set /$$MODVAR = 0 end EOF 运行范例: 代码: (gdb) xsource getmod modvar hello (gdb) print $modvar->sect_attrs->attrs[0]->name $9 = 0xc7855b40 ".note.gnu.build-id" * 调试内核模块 调试内核模块需要额外的步骤,因为内核模块是动态载入的,gdb 一开始无法从内核 VMLINUX 文件中得到模块中的函数和变量地址信息。这里必须用 gdb 的 add-symbol-file 命令: 代码: add-symbol-file $MODFILE // $TEXT_ADDR // -s .data $DATA_ADDR // -s .bss $BSS_ADDR 其中 MODFILE 是 .ko 文件, 如何获得那三个地址是这里最关键的。这里有两种方法: 1. 从 sysfs 中获得 这种方法比较简单: 代码: $ cat /sys/module/snd/sections/.text 0xf8f83000 $ cat /sys/module/snd/sections/.data 0xf8f8d040 $ cat /sys/module/snd/sections/.bss 0xf8f8e280 2. 用 gdb 脚本 这个脚本先通过上面的 getmod 脚本得到(struct module*),然后从里面得到所需要的 sections 的地址,最后调用 add-symbol-file 命令。不过因为有大量的 gdb 交互,所以会比较慢 代码: $ cat tools/xsource.d/addmod2gdb #!/bin/sh # addmod2gdb($modname) [ $# != 1 ] && echo "printf /"Usage : addmod2gdb modname/n/"" && exit 1 MODNAME=$1 MODFILE=$KMODSDIR/$MODNAME/${MODNAME}.ko if [ -f $MODFILE ];then cat <<EOF xsource getmod _addmod2gdb_mod $MODNAME if /$_addmod2gdb_mod != 0 set /$_addmod2gdb_i = 0 set /$_addmod2gdb_c = 0 while /$_addmod2gdb_i < /$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->nsections if /$_addmod2gdb_c == 3 loop_break end xsource strcmp_vs _addmod2gdb_r /$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[/$_addmod2gdb_i].name .text if /$_addmod2gdb_r == 0 set /$_addmod2gdb_text = /$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[/$_addmod2gdb_i].address set /$_addmod2gdb_c = /$_addmod2gdb_c + 1 set /$_addmod2gdb_i = /$_addmod2gdb_i + 1 loop_continue end xsource strcmp_vs _addmod2gdb_r /$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[/$_addmod2gdb_i].name .data if /$_addmod2gdb_r == 0 set /$_addmod2gdb_data = /$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[/$_addmod2gdb_i].address set /$_addmod2gdb_c = /$_addmod2gdb_c + 1 set /$_addmod2gdb_i = /$_addmod2gdb_i + 1 loop_continue end xsource strcmp_vs _addmod2gdb_r /$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[/$_addmod2gdb_i].name .bss if /$_addmod2gdb_r == 0 set /$_addmod2gdb_bss = /$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[/$_addmod2gdb_i].address set /$_addmod2gdb_c = /$_addmod2gdb_c + 1 set /$_addmod2gdb_i = /$_addmod2gdb_i + 1 loop_continue end set /$_addmod2gdb_i = /$_addmod2gdb_i + 1 end add-symbol-file $MODFILE // /$_addmod2gdb_text // -s .data /$_addmod2gdb_data // -s .bss /$_addmod2gdb_bss end EOF else echo "printf /"No such module file : $MODFILE/n/"" fi * 参考资料 官方网站 http://kgdb.linsyssoft.com/ |
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