偵錯技術

偵錯技術 Reporter:Ko-Wei,Chang 601430074

Outline • 介紹一系列專門用來對付核心程式的監視技術，以及追查錯誤的技巧 • 訊息除錯法 • 查詢除錯法 • 觀測除錯法 • 排除重大系統失誤 • 除錯工具

訊息除錯法 • Printk()讓我們能指定訊息的”登載等級” • 定義在<linux/kernel.h>所宣告的八個巨集中 • 下述代號展開之後，會分別成為<0><1><2>…<7>之類的字串，數字越低，表示嚴重程度越高 • 如果沒在printk()註明分類代碼，會以DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL為預設的等級，此變數值是4(相當於KERN_WARING) (參閱cd /usr /src /kernel /printk.c)

P82 • KERN_EMERG • KERN_ALERT • KERN_CRIT • KERN_ERR • KERN_WARING • KERN_NOTICE • KERN_INFO • KERN_DEBUG

Console_loglevel變數初值為default_console_loglevel，可用sys_syslog系統呼叫來改變此值Console_loglevel變數初值為default_console_loglevel，可用sys_syslog系統呼叫來改變此值 • 1.先殺掉執行中的klogd再以-c選項啟動之 • 2.自己寫一個程式來觸發書中範例:misc-progs/setlevel.c • 當在控制台上工作，遭遇到kernel fault，想修改console_level的現值可用下列命令迫使所有核心訊息都出現在操控台上#echo 8 > /proc/sys/kernel/printk

核心訊息輸出流程 • printk()將訊息寫入一個環形佇列，然後喚醒正在等待的行程—也就是被syslog()系統呼叫推入修眠狀態或是正在讀取/proc/kmsg • 日誌記錄引擎(syslogd和klogd)，這兩種是等效的，但是直接讀取/proc/kmsg會消耗掉緩衝區裡的訊息，不會留給其他行程讀取；syslog()能讓我決定是否要將訊息留在緩衝區，也讓其他行程可以讀取。

訊息開關 • 研發驅動程式初期，printk()很好用，可以輔助測試~除錯程式碼，但是正式釋出驅動程式時，該如何亦切拿掉所有除錯用途的printk()? • 1..修改巨集名稱，取消或恢復個別列印敘述2..只要在編譯之前變更CFLAGS變數值，就可以關閉所有除錯訊息3..同樣的列印敘述，要同時可用在kernel-space與 user-space的程式裡，讓我們可以用一致方式來控制除錯訊息 • P86 • 熟悉C preprocessor的人，甚至可以擴充巨集定義，做出除錯等級的效果，例如:以不同數值定義不同等級的程度

P86_scull.h

查詢除錯法 • 大量使用printk()的結果，將明顯拖慢系統效能，因為syslogd必須隨時將取得的核心訊息寫入日誌檔，美印出一行訊息，就會引發一次磁碟動作 • 解決辦法1 : 修改/etc/syslog.conf，在日誌檔的檔名之前加一個減號(魔術記號，它要求syslogd不必每次收到新訊息就寫入磁碟) • 解決辦法2 : 以其他程式來替代klogd(cat/proc/kmesg) • 最佳辦法 : 必要時才向系統查詢,Unix提供許多像 ps, netstat, vmstat等取得系統資訊的工具 • 對driver設計時而言，查詢系統資訊的主要管道有: •將資訊輸出到/proc檔案系統. •適用ioctl作業方式.

使用/proc檔案系統 • /proc是靠軟體模擬出來的特殊檔案系統，並不實際存在於硬碟上，而是核心提供給user-space的資訊窗口 • 在proc/下的每一個檔案，接聯繫到核心內的專屬函式，這些函式在使用者讀取檔案時，及時(real-time)產生檔案的內容以/proc/modules為例，當你讀取它時它會顯示目前載入哪些模組，但此檔案系統的長度都為0.

Linux許多系統工具，如ps, top,uptime等都是從 /proc取得它們所需要的資訊 • 全功能的 /proc檔案可以很複雜，不僅可被讀出資訊，甚至容許使用者寫入一些值，藉此改變特定核心功能的行為 • 任何欲支援/proc的模組，都必須引入<linux/proc_fs.h>，來定義適當的函式 • 建立/proc檔案 : 驅動程式必須製作一備查函式，讓它在檔案被存取的時，及時供應資料，核心也會配置一個記憶頁給它，核心會自動將我寫在該記憶頁的資料傳回user-space

備查函式介面: int (*read_proc)(char*page,char**start,off_toffset,intcount,int*eof ,void*data); • page指標:指向核心預先配置的記憶頁 • start:用來表示有效資料的起點位置 • eof:指向一個整數值，驅動程式以此值讓核心知道它沒有資料要傳回 • offset:若檔案超過一記憶頁大小,可利用分批傳輸的方式,先將*start指向page，讓呼叫者知道新資料是放在page緩衝區的開頭，將*start指向offset bytes之後的下一個位元組 • skcull程式中有對read_proc的實作:

int scull_read_procmem(char *buf, char **start, off_t offset, int count, int *eof, void *data) { int i, j, len = 0; int limit = count - 80; /* Don't print more than this */ for (i = 0; i < scull_nr_devs && len <= limit; i++) { Scull_Dev *d = &scull_devices[i]; if (down_interruptible(&d->sem)) return -ERESTARTSYS; len += sprintf(buf+len,"\nDevice %i: qset %i, q %i, sz %li\n", i, d->qset, d->quantum, d->size); for (; d && len <= limit; d = d->next) { /* scan the list */ len += sprintf(buf+len, " item at %p, qset at %p\n", d, d->data); if (d->data && !d->next) /* dump only the last item - save space */ for (j = 0; j < d->qset; j++) { if (d->data[j]) len += sprintf(buf+len," % 4i: %8p\n",j,d->data[j]); } } up(&scull_devices[i].sem); } *eof = 1; return len; }

定義好read_proc作業方式後，必須為它在/proc下設置一個入口點,使用create_proc_read_entry()函式定義好read_proc作業方式後，必須為它在/proc下設置一個入口點,使用create_proc_read_entry()函式 • 若希望使用者能透過/proc/scullmem取得該函式提供的資料，則driver需宣告如下: /proc入口點名稱 static void scull_create_proc() { create_proc_read_entry(“scullmem”, 0 /* 預設模式(0x444) */, NULL /* 上層目錄(*proc_dir_entry)*/, scull_read_procmem, NULL /* 提供給read_proc使用的資料 */); } 檔案權限入口點上層目錄 read_proc作業方法的指標傳給read_proc的資料的指標

第三引數base的說明: •在/proc檔案系統下的每一個子目錄，都有各自專屬的proc_dir_entry結構來描述 •描述/proc/driver子目錄的結構為 proc_root_driver，描述/proc/bus子目錄的結構為proc_bus •若此引數設定為NULL，代表入口點設置在/proc目錄下

static void scull_create_proc() { create_proc_read_entry(“scullmem”, 0 /* 預設模式(0x444) */, proc_root_driver/* 代表/proc/driver子目錄*/, scull_read_procmem, NULL /* 提供給read_proc使用的資料 */); } •在/proc子目錄下( /proc/driver)建立新入口點

建立新的/proc子目錄，利用proc_mkdir() struct proc_dir_entry *scull_procdir=NULL; static void scull_create_proc() { // 建立/proc/scull子目錄 scull_procdir=proc_mkdir(“scull”,NULL); create_proc_read_entry(“scullmem”,0,scull_procdir,scull_read_proc,NULL); }

在模組被載卸之前必須先移除相關的/proc入口點，使用remove_proc_entry()在模組被載卸之前必須先移除相關的/proc入口點，使用remove_proc_entry() //移除 /proc/scullmem; remove_pcor_entry(“scullmem”,NULL); //移除 /proc/driver/scullmem; remove_proc_entry(“scullmem”,proc_root_driver); //移除 /proc/scull/scullmem; remove_proc_entry(“scullmem”,scull_procdir);

Ioctl作業方法 • Ioctl()是作用在檔案描述單元(file descriptor)的一種系統呼叫，接受一個數值引數，一個可有可無的指標引數 • 數值引數--ioctl()所要執行的命令 • 指標引數--該命令的作業參數 •使用ioctl()來取得資訊，比較困難，因為要另外寫一個測試程式來發出呼叫，但是比讀取/proc的速度快 •沒有單記憶頁的限制，不必將資料拆解成片段 •不同於任何人都可見的/proc檔案，ioctl能將擷取除錯資訊的功能留在驅動程式裡面(因為不會影響效能) •詳情請待第六章

觀測除錯法 • 有時候，對於一些不太嚴重的小問題，用觀察user-space應用程式的行為，就可以察覺出來 • 將程式交給debugger來逐步執行 • 在適當地方印出訊息 • 將程式交給strace來執行

strace提供的除錯資訊，直接取自系統核心本身，能顯示出由user-space程式所發出的所有系統呼叫，輸入輸出資料是否一致strace提供的除錯資訊，直接取自系統核心本身，能顯示出由user-space程式所發出的所有系統呼叫，輸入輸出資料是否一致 • #strace ls /dev > /dev/scull0 • strace最有用之處，在於能讓我們從系統呼叫中發現執行期的錯誤，一般應用程式中的perror()往往不夠詳細，或者不足以用於偵錯

排除重大系統錯誤 • 除了監視，除錯技術，驅動程式可能還是有很多意料之外的bug存在，嚴重可能造成system fault • fault(失誤)不等於panic(死當)，失誤通常會摧毀目前的行程，但是系統本身功能正常 • 若fault發生在process context之外，或是破壞系統的關鍵部分,就有可能造成panic • oops訊息:往往發生在不當的操作指標所引起，如dereference(提領)或者是誤用指標的值

page fault:在protect mode(保護模式)下，所使用的是virtual address(虛擬記憶體)，藉由page table換算出physical address(實體位置)，若程式提領一個無效指標，分頁機制則沒有辦法算出實體位置，因而發生page fault • 若在user-space發生提領無效，後果頂多是無法”page in“該位址 • 但若發生在kernel則迫使核心發出oops訊息

範例:misc-modules/faulty.c ssize_t faulty_write (struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *pos) { /* 提領一個NULL指標,刻意製造簡單的fault狀況*/ *(int *)0 = 0; return 0; } 0不是合理指標值

oops訊息包括 : fault當時CPU的狀態,包括各暫存器的值及一些匪夷所思的資訊 • 但是~~看不懂那些十六進位的數字訊息，要想辦法把數字轉換成有意義的符號

除錯工具 • gdb • #gdb /usr/src/linux/vmlinux /proc/kcore • 第一個引數是核心映像檔 • 第二個引數是core檔的位置 • 可用還檢驗模組裡的變數。 • 反組譯: (gdb) x/i <addr> • Ex: (gdb) x/20i 0xc8002060

#gdb /usr/src/linux/vmlinux /proc/kcore

KGDB補強程式 • 為了解決gdb在除錯核心時，不能發揮全部功能的遺憾 • 準備兩台電腦。一台跑經過kgdb補強過的受測核心，另一台跑gdb，兩台相連

User-mode Linux移植版 ( 一種有趣的概念，並非在某種新型硬體平台上運行，而是在一個具備linux系統呼叫介面的虛擬機器上執行，適合讓設計師構思程式架構的雛形 ) • Linux Trace Toolkit ( 回報時序資訊，可清楚某段時間內所發生的大小事情 ) • Dynamic Probes ( IBM，特殊堆疊語法的探針，可回報訊息到user-space，改變暫存器內容 )

MEMO

偵錯技術

偵錯技術

Presentation Transcript