《Linux内核设计与实现》Chapter 18 读书笔记
一、准备开始
- 一个bug
- 一个藏匿bug的内核版本
- 知道这个bug最早出现在哪个内核版本中。
- 相关内核代码的知识和运气
想要成功进行调试：
- 让这些错误重现
- 抽象出问题
- 从代码中搜索
二、内核中的bug
1.内核bug的表象：
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
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
……
- 引用空指针会产生一个oops；垃圾数据会导致系统崩溃。
三、通过打印来调试
内核提供打印函数printk（），他是内核的格式化打印函数，它还有自己的一些特殊的功能：
1.健壮性
健壮性即在任何时候，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。
printk()有用之处在于它随时都能被调用。
注意：该函数在终端没有初始化之前，某些地方不能用它。这种情况，需要用early_printk()代替，它在启动初期就可以在终端上打印，两者功能完全相同，但early_printk()缺少可移植性。
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。
下表列举了所有可用的记录等级。
如果没有特别特别指定记录等级，函数会选用默认的DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL，当前默认等级是KERN_WARNING，但它存在着变化的可能性。、，最好还是给自己的消息指定一个记录等级。
内核将最重要的等级KERN_EMERG定为"<0>"，将最无关紧要的等级KERN_DEBUG定为"<7>"，从0-7，对应表中从上到下
3.记录缓冲区
内核消息是被保存在一个LOG_BUF_LEN大小的环形队列中，该缓冲区的大小是可以在编译时设置CONFIG_LOG_BUF_SHIFT进行调整，但是在单处理器的系统上默认值是16kb。就是内核在同一时间只能保存16kb的内核消息，否则新消息就会覆盖老消息。该缓冲区之所以称为环形，因为读写都是按照环形队列方式操作的。
（1）环形队列的优点：
- 读写同步问题容易解决记录
- 记录的维护更加方便
（2）缺点：
- 可能会丢失消息
4.syslogd和klogd
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。默认选择读取/proc方式实现。
- 两种方法klogd都会阻塞，直到有新的内核消息可供读出，唤醒之后将消息传给syslogd。
- 启动时，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，该文件默认是/var/log/messages。
- 也可以通过/etc/syslog.conf配置文件重新指定。
5.从printf（）到printk（）的转换
四、oops
oops是内核告知用户有不幸发生的最常用的方式。
1.发布oops的过程：
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。
2.关于oops发生的时机：
- 发生在中断上下文：内核根本无法继续，会陷入混乱，结果导致系统死机
- 发生在idle进程（pid为0）或init进程（pid为1），系统也会陷入混乱
- 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
3.oops发生的可能原因：
- 内存访问越界
- 非法的指令
- ……
4.ksymoops
将回溯线索中的地址转化成符号名称，调用ksymoops命令并提供System.map。
调用方法：
ksymoops saved_oops.txt
5.kallsyms
现在的版本中不需要使用kysmoops这个工具，因为可能会发生很多问题，新版本中引入了kallsyms特性：
- CONFIG_KALLSYMS 定义配置选项启用。
- CONFIG_KALLSYMS_ALL 存放函数名称；存放所有符号名称。
- CONFIG_KALLSYMS_EXTRA_PASS 引起内核构建中再次忽略内核的目标代码。
五、内核调试配置选项
1.配置选项
为了方便调试和测试内核代码，内核提供了许多配置选项。它们都在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
2.原子操作
指那些能够不分隔执行的东西；在执行时不能中断否则就是完不成的代码。
六、引发bug并打印信息
1.最常用的内核调用：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。
大部分体系结构把它们定义成某种非法操作，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();
或以更好的形状：
BUG_ON(bad_thing);
多数开发者认为BUG_ON()比BUG()更清晰、更可读。
2.BUILD_BUG_ON()
与BUG_ON()作用相同，仅在编译时调用。
3.panic()
可以用其引发更严重的错误，它不但会打印错误信息，还会挂起整个系统，所以，只应该在最糟糕的情况下使用它。
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
神奇的系统请求键（Magic SysRq key）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。
1.启动命令
echo > /proc/sys/kernel/sysrq
八、内核调试器的传奇
1.gdb
（1）针对内核启动调试器的方法和对进程的方法大致相同
gdb vmlinux /proc/kcore /*vmlinux文件是未压缩的内核映像； /proc/kcore是一个参数选项，作为core文件来用，只有超级用户才能读取此文件的数据。
*/
(2)打印一个变量的值
p global_variable
(3)反汇编一个函数
disassemble function
(4)局限性
- 不能修改内核数据；
- 不能单步执行内核代码；
- 不能加断点
2.kgdb
是一个补丁，可在远端主机上通过串口利用gdb的所有功能对内核进行调试。
九、探测系统
1.使用uid作为选择条件
一般，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。
if (current-> uid !=) {
/* 老算法…… */
} else {
/* 新算法…… */
}
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。
（1）方法
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。
3.使用统计量
需要掌握某个特定事件的发生规律的时候，通过创建统计量，并提供某种机制访问其统计结果。
注意：这种实现不是SMP安全的
4.重复频率限制
当系统的调试信息过多的时候，可以采取：
（1）重复频率限制
（2）发生次数限制
十、用二分查找法找出引发罪恶的变更
十一、使用Git进行二分搜索
$ git bisect start ；进行二分搜索
$ git bisect bad <revision> ；引发提供一个出现问题的最高内核版本
$ git bisect bad ；若当前内核版本就是bug的元凶，那不必提供内核版本
$ git bisect good v2.6.28 ；最新可正常运行的内核版本 $ git bisect good ；这个版本正常
$ git bisect bad ；这个版本有异常
十二、当所有努力都失败时：社区
- Linux内核邮件列表（LKML）