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使用 KGDB 调试 Linux 内核

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发表于 2008-7-20 21:26:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
原文 ： http://blog.chinaunix.net/u/8057/showart_1087126.html

Author : ZC Miao <hellwolf.misty@gmail.com>
Date : Sunday, July 20 2008

＊ 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)
[color="Red"]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
[color="Red"]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
  2. qemu ${QEMU_ARGS} \
  3.         -kernel "$VMLINUZ" \
  4.         -append "${KERNEL_CMDLINE} kgdboc=ttyS0,115200 kgdbwait" \
  5.         -serial tcp::${KGDB_TCPPORT},server \
  6.         -hda "${QEMU_HDA}" >/dev/null &
复制代码
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：
  2. Remote debugging using tcp:localhost:4555
  3. kgdb_register_io_module (new_kgdb_io_ops=<value optimized out>)
  4.     at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/kernel/kgdb.c:1674
  5. (gdb)
复制代码
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：
  2. echo -e "\003" > /dev/ttyS1
复制代码
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：
  2. Program received signal SIGTRAP, Trace/breakpoint trap.
  3. [Switching to Thread -1]
  4. sysrq_handle_gdb (key=103, tty=0xc7869800)
  5.     at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/kernel/kgdb.c:1674
  6. (gdb)
复制代码
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：
  2. # echo g > /proc/sysrq-trigger
复制代码

3. 继续执行测试系统
  2. (gdb) c
复制代码
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：
  2. (gdb) b        sys_open
  3. Breakpoint 1 at 0xc046d268: file /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/
  4. fs/open.c, line 1107.
  5. (gdb) c
  6. Continuing.
  7. [New Thread 612]
  8. [Switching to Thread 612]
  10. Breakpoint 1, sys_open (filename=0xb7f68a9c "/etc/ld.so.cache", flags=0,
  11.     mode=0) at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/fs/open.c:1107
  12. (gdb) p filename
  13. $1 = 0xb7f68a9c "/etc/ld.so.cache"
  14. (gdb)n
  15. (gdb)bt
  16. #0  sys_open (filename=0xb7f68a9c "/etc/ld.so.cache", flags=0, mode=0)
  17.     at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/fs/open.c:1113
  18. #1  0xc0403976 in system_call ()
  19.     at /data/home/hellwolf/mydoc/prog/linux/linux-2.6/arch/x86/kernel/entry_32.S
  20. :377
  21. #2  0x00000000 in ?? ()
复制代码

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：
  2. set $_lsmod_modules = modules->next
  3. #       1        10   15
  4. printf "Module          Size\n"  
  5. while $_lsmod_modules != &modules
  6.         set $_lsmod_module = (struct module*)((unsigned char*)$_lsmod_modules-(unsigned int)&(((struct module*)0)->list))
  7.         printf "%-15s %d\n", $_lsmod_module->name, $_lsmod_module->init_size + $_lsmod_module->core_size
  8.         set $_lsmod_modules = $_lsmod_modules->next
  9. end
复制代码
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 :
  2. define xsrun
  3.         if $argc == 0
  4.                 printf "Usage : xsrun xsourcecmd args...\n"
  5.         else
  6.                 shell rm -f /tmp/*.xsource
  7.                 shell echo 0 > /tmp/seq.xsource
  8.                 if $argc == 1
  9.                         xsource '$arg0'
  10.                 end
  11.                 if $argc == 2
  12.                         xsource '$arg0' '$arg1'
  13.                 end
  14.                 if $argc == 3
  15.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2'
  16.                 end
  17.                 if $argc == 4
  18.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3'
  19.                 end
  20.                 if $argc == 5
  21.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4'
  22.                 end
  23.                 if $argc == 6
  24.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5'
  25.                 end
  26.                 if $argc == 7
  27.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6'
  28.                 end
  29.                 if $argc == 8
  30.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7'
  31.                 end
  32.                 if $argc == 9
  33.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8'
  34.                 end
  35.                 if $argc == 10
  36.                         xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8' '$arg9'
  37.                 end
  38.         end
  39. end
  41. define xsource
  42.         if $argc == 1
  43.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0'
  44.         end
  45.         if $argc == 2
  46.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1'
  47.         end
  48.         if $argc == 3
  49.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2'
  50.         end
  51.         if $argc == 4
  52.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3'
  53.         end
  54.         if $argc == 5
  55.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4'
  56.         end
  57.         if $argc == 6
  58.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5'
  59.         end
  60.         if $argc == 7
  61.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6'
  62.         end
  63.         if $argc == 8
  64.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7'
  65.         end
  66.         if $argc == 9
  67.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8'
  68.         end
  69.         if $argc == 10
  70.                 shell $TOOLSDIR/kgdb-xsource '$arg0' '$arg1' '$arg2' '$arg3' '$arg4' '$arg5' '$arg6' '$arg7' '$arg8' '$arg9'
  71.         end
  73.         if $argc > 0
  74.                 source /tmp/current.xsource
  75.         end
  76. end
复制代码
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：
  2. $ cat tools/kgdb-xsource
  3. #!/bin/bash
  4. . $(dirname "$0")/common.sh
  6. if [ "$#" == 0 ];then
  7.         echo "kgdb-xsource xsourcecmd args...\\n"" > /tmp/current.xsource
  8. else
  9.         XSOURCECMD=$1
  10.         shift
  11.         XSOURCESEQ=$(cat /tmp/seq.xsource)
  12.         XSOURCESEQ=$((${XSOURCESEQ}+1))
  13.         echo ${XSOURCESEQ} > /tmp/seq.xsource
  14.         XSOURCEOFILE=/tmp/${XSOURCESEQ}-${XSOURCECMD}.xsource
  15.         if [ -f "$XSOURCEDIR/$XSOURCECMD" ] && [ -x "$XSOURCEDIR/$XSOURCECMD" ];then
  16.                 $XSOURCEDIR/$XSOURCECMD "$@" > ${XSOURCEOFILE}
  17.                 rm -f /tmp/current.xsource
  18.                 ln -s ${XSOURCEOFILE} /tmp/current.xsource
  19.         else
  20.                 echo "printf "No such xsource command : $XSOURCECMD\\n"" > /tmp/current.xsource
  21.         fi
  22. fi
复制代码
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：
  2. $ cat tools/xsource.d/strcmp_vs
  3. #!/usr/bin/perl
  4. if (@ARGV != 3) {
  5.     print "printf "Usage : strcmp result var str\\n"";
  6.     exit 1
  7. }
  9. ($result, $var, $str) = @ARGV;
  10. print 'if ';
  11. $i = 0;
  12. for (0..length($str)-1) {
  13.     $i = $_;
  14.     $c = substr($str, $i, 1);
  15.     print ' && ' if $i;
  16.     print "${var}[$i] == '$c'";
  17. }
  18. ++$i;
  19. print " && ${var}[$i] == '\\0'
  20.     set \$$result = 0
  21. else
  22.     set \$$result = -1
  23. end
  24. ";
复制代码
利用这个基本命令，我们现在就可以实现 getmod 功能拉：
  2. $ cat tools/xsource.d/getmod
  3. #!/bin/sh
  4. [ $# != 2 ] && echo "printf "Usage : getmod modvar modname\n"" && exit 1
  6. MODVAR=$1
  7. MODNAME=$2
  8. cat <<EOF
  9. set \$_getmod_modules = modules->next
  10. set \$_getmod_modfound = 0
  11. while \$_getmod_modules != &modules
  12.         set \$_getmod_module = (struct module*)((unsigned char*)\$_getmod_modules-(unsigned int)&(((struct module*)0)->list))
  13.         xsource strcmp_vs _getmod_modfound \$_getmod_module->name $MODNAME
  14.         if \$_getmod_modfound == 0
  15.                 set \$$MODVAR = \$_getmod_module
  16.                 set \$_getmod_modfound = 1
  17.                 loop_break
  18.         end
  19.         set \$_getmod_modules = \$_getmod_modules->next
  20. end
  22. if \$_getmod_modfound != 1
  23.         printf "Module \"$MODNAME\" cannot be found\\n"
  24.         set \$$MODVAR = 0
  25. end
  26. EOF
复制代码
运行范例：
  2. (gdb) xsource getmod modvar hello
  3. (gdb) print $modvar->sect_attrs->attrs[0]->name
  4. $9 = 0xc7855b40 ".note.gnu.build-id"
复制代码

＊ 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：
  2.         add-symbol-file $MODFILE \\
  3.                 $TEXT_ADDR \\
  4.                 -s .data $DATA_ADDR \\
  5.                 -s .bss $BSS_ADDR
复制代码
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：
  2. $ cat /sys/module/snd/sections/.text
  3. 0xf8f83000
  4. $ cat /sys/module/snd/sections/.data
  5. 0xf8f8d040
  6. $ cat /sys/module/snd/sections/.bss
  7. 0xf8f8e280
复制代码

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
  2. $ cat tools/xsource.d/addmod2gdb
  3. #!/bin/sh
  4. # addmod2gdb($modname)
  5. [ $# != 1 ] && echo "printf "Usage : addmod2gdb modname\n"" && exit 1
  7. MODNAME=$1
  8. MODFILE=$KMODSDIR/$MODNAME/${MODNAME}.ko
  9. if [ -f $MODFILE ];then
  10.         cat <<EOF
  11. xsource getmod _addmod2gdb_mod $MODNAME
  12. if \$_addmod2gdb_mod != 0
  13.         set \$_addmod2gdb_i = 0
  14.         set \$_addmod2gdb_c = 0
  15.         while \$_addmod2gdb_i < \$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->nsections
  16.                 if \$_addmod2gdb_c == 3
  17.                         loop_break
  18.                 end
  19.                 xsource strcmp_vs _addmod2gdb_r \$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[\$_addmod2gdb_i].name .text
  20.                 if \$_addmod2gdb_r == 0
  21.                         set \$_addmod2gdb_text = \$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[\$_addmod2gdb_i].address
  22.                         set \$_addmod2gdb_c = \$_addmod2gdb_c + 1
  23.                         set \$_addmod2gdb_i = \$_addmod2gdb_i + 1
  24.                         loop_continue
  25.                 end
  27.                 xsource strcmp_vs _addmod2gdb_r \$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[\$_addmod2gdb_i].name .data
  28.                 if \$_addmod2gdb_r == 0
  29.                         set \$_addmod2gdb_data = \$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[\$_addmod2gdb_i].address
  30.                         set \$_addmod2gdb_c = \$_addmod2gdb_c + 1
  31.                         set \$_addmod2gdb_i = \$_addmod2gdb_i + 1
  32.                         loop_continue
  33.                 end
  35.                 xsource strcmp_vs _addmod2gdb_r \$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[\$_addmod2gdb_i].name .bss
  36.                 if \$_addmod2gdb_r == 0
  37.                         set \$_addmod2gdb_bss = \$_addmod2gdb_mod->sect_attrs->attrs[\$_addmod2gdb_i].address
  38.                         set \$_addmod2gdb_c = \$_addmod2gdb_c + 1
  39.                         set \$_addmod2gdb_i = \$_addmod2gdb_i + 1
  40.                         loop_continue
  41.                 end
  43.                 set \$_addmod2gdb_i = \$_addmod2gdb_i + 1
  44.         end
  46.         add-symbol-file $MODFILE \\
  47.                 \$_addmod2gdb_text \\
  48.                 -s .data \$_addmod2gdb_data \\
  49.                 -s .bss \$_addmod2gdb_bss
  50. end
  51. EOF
  52. else
  53.         echo "printf "No such module file : $MODFILE\n""
  54. fi
复制代码

＊ 参考资料
官方网站 http://kgdb.linsyssoft.com/
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 楼主| 发表于 2008-7-23 00:20:39 | 显示全部楼层
更新一句：
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。
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qiweixue
发表于 2008-8-4 16:28:22 | 显示全部楼层
太感谢斑竹!!!!
很不错!!!
kgdb终于集成到Linux内核中了。。。。
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