《Linux内核设计与实现》课本第十八章自学笔记
By20135203齐岳
通过打印来调试
printk()是内核提供的格式化打印函数，除了和C库提供的printf()函数功能相同外还有一些资深的特殊功能
健壮性
在任何时候内核的任何地方都能调用printk()函数，只有在终端还未初始化的时候不能调用。
- 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。
解决办法是提供一个变体函数early _ printk()，但这种办法在某些硬件体系结构上无法实现，缺少可移植性。
日志等级
printk()可以指定一个日志级别，内核把级别比某个特定值低的所有消息显示在终端上。如果没有指定一个等级记录，函数会选用默认的DEFAULT _ MESSAGE _ LOGLEVEL，现在的默认等级为KERN _ WARNING。但默认值将来存在变化性，所以还是应该指定一个记录等级。
内核将最重要的记录等级KERN _ EMERG定为<0>，无关紧要的记录等级KERN _ DEBUG定为<7>
对于调试信息，有两种赋予记录等级的方法：
- 保持终端的默认记录等级不变，给所有调试信息KERN _ CRIT或更低的等级。
- 给所有调试信息KERN _ DEBUG等级，调整终端的默认记录等级。
记录缓冲区
内核消息都被保存在一个环形队列中，该缓冲区的大小可以在编译时通过设置CONFIG _ LOG _ BUF _ SHIFT进行调整，在单处理器的系统上默认值是16kb，也就是说内核在同一时间只能保存16kb的内核消息，再多的话新消息就会覆盖老消息。读写都是按照环形队列方式操作的。
- 优点：健壮性，在中断上下文中也可以方便的使用；简单性，使记录维护起来更容易。
- 缺点：可能会丢失消息。
syslogd和klogd
在Linux系统中，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。
klogd：
既可以从/proc/kmsg文件中，也可以通过syslog()系统调用读取获得的内核信息，默认情况下以/proc方式实现。两种情况klogd都会阻塞，知道有新的内核消息可供读出，唤醒之后默认处理是将消息传给syslogd。可以通过-c标志来改变终端的记录等级。
syslogd：将它接收到的所有消息添加到一个文件中，默认是/var/log/messages。
oops
oops是内核告知用户有不幸发生的最常用的方式。
内核很难自我修复，也不能将自己杀死，只能发布oops，过程为：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。通常发布oops之后，内核会处于一种不稳定状态。
oops发生的时机：
- 发生在中断上下文：内核无法继续，会陷入混乱，导致系统死机
- 发生在idle进程或init进程（0号进程和1号进程），同上
- 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
oops中包含的重要信息：
寄存器上下文和回溯线索
- 回溯线索：显示了导致错误发生的函数调用链，以便我们观察发生了什么。
- 寄存器上下文信息：帮助冲进引发问题的现场。
ksymoops
回溯线索中的地址需要转化成有意义的符号名称才可以方便使用，需要调用ksymoops命令，还必须提供编译内核时产生的System.map。如果用的是模块，还需要一些模块信息。调用方法：
kysmoop saved_oops.txt
kallsyms
现在的版本中不需要使用sysmoops这个工具，因为可能会发生很多问题，新版本中引入了kallsyms疼，可以通过定义CONFIG _ KALLSYMS配置选项启用。
内核调试配置选项
位于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
引发bug并打印信息
一些内调用可以用来方便标记bug，提供断言并输出信息。
-
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。
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(); 或更好的形式： BUG_ON(bad_thing); -
BUILD _ BUG_ ON()
与BUG_ON()作用相同，仅在编译时调用。
-
panic()
可以引发更严重的错误，不但会打印错误信息，还会挂起整个系统。
-
dump_stack()
只在终端上打印寄存器上下文和函数的跟踪线索。
神奇的系统请求键
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。
除了配置选项以外，还要通过一个sysctl用来标记该特性的开或关，启动命令如下：
echo 1 > /proc/sys/kernel/sysrq
Sysrq的命令：
内核调试器的传奇
gdb(与本周实验内容结合)
可以使用标准的GNU调试器对正在运行的内核进行查看。针对内核启动调试器的方法与针对进程的方法大致相同：
gdb vmlinux /proc/kcore
- vmlinx:未经压缩的内核映像，区别于zImage或bImage，它存放于源代码树的根目录上。
- /proc/kcore作为一个参数选项，是作为core文件来用的，通过它能够访问到内核驻留的高端内存。只有超级用户才能读取此文件的数据。
可以使用gdb的所有命令来获取信息。
p global_variable//打印一个变量的值
disassemble function//反汇编一个函数
-g参数还可以提供更多的信息。
局限性：
- 没有办法修改内核数据
- 不能单步执行内核代码
kgdb
是一个补丁 ，可以让我们在远程主机上通过串口利用gdb的所有功能对内核进行调试。
需要两台计算机：仪态运行带有kgdb补丁的内核，第二胎通过串行线使用gdb对第一台进行调试。
通过kgdb，gdb的所有功能都能使用:
- 读取和修改变量值
- 设置断点
- 设置关注变量
- 单步执行
探测系统
使用uid作为选择条件
一般情况下，加入特性时，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 !=7777) {
/* 老算法…… */
} else {
/* 新算法…… */
}
即，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。
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。
这种方式比使用UID更简单，只需要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。
操控方式：某种接口，或者调试器。
使用统计量
这种方法常用于使用者需要掌握某个特定事件的发生规律的时候。
方法是创建统计量，并提供某种机制访问其统计结果。
定义全局变量
在/proc目录中创建一个文件
or新建一个系统调用
or通过调试器直接访问（最直接）
注：不是SMP安全的，更好的方式是用原子操作。
重复频率限制
当系统的调试信息过多的时候，有两种方式可以防止这类问题发生：
-
重复频率限制:
就是限制调试信息，最多几秒打印一次，可以根据自己的需要调节频率。
例如printk()函数的调节频率，可以用printk_ratelimit()函数限制。
-
发生次数限制
这种方法是要调试信息至多输出几次，超过次数限制后就不能再输出。
这种方法可以用来确认在特定情况下某段代码的确被执行了。
注：用到的变量需要是静态的、局部的。不是SMP安全，不是抢占安全，更好的方式是用原子操作。
SMP（Symmetric Multi-Processing），对称多处理结构的简称，是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU),各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。在这种技术的支持下，一个服务器系统可以同时运行多个处理器，并共享内存和其他的主机资源。
二分搜索
很多时候，内核的更新会带来bug，那么是哪一个内核版本带来的bug？可以使用二分法搜索。
我们可以利用GIT来实现这一步骤。
git bisect start # 告知git要进行二分搜索
git bisect bad <revision> # 已知出现问题的最早内核版本
git bisect bad # 当前版本就是引发bug的最初版本的情况下使用这条命令
git bisect good <revision> # 最新的可正常运行的内核版本
这之后，git就会利用二分搜索法在Linux源码树中，自动检测正常的版本内核和有bug的内核版本之间那个版本有隐患，然后再编译、运行以及测试正被检测的版本。
如果这个版本正常：
git bisect good
如果这个版本运行有异常：
git bisect bad
对于每一个命令，GIT将在吗诶一个版本的基础上反复二分搜索源码树，并且返回所查的下一个内核版本，一直到不能再进行二分搜索位置，最终git会打印出有问题的版本号。