演講「加入 kernel 除蟲大隊：簡介 kernel debug 工具」簡報上線

jollen 發表於 September 14, 2008 8:00 PM

近期受邀發表了一場與「kernel debug」有關的演講，進行時間大約是70分鐘，在此提供簡報電子檔[加入 kernel 除蟲大隊]供有興趣的朋友下載。本次演講的目的是對 kernel debug 主題做「開場」，再加上時間有限，因此並沒有對 kernel debug 的技術做太深入的討論，反而是透過整理的方式，對幾個常見的 kernel debug 工具與方法做總覽。

演講最後展示了使用 gdb+qemu 來進行 kernel source-level debug 的方法。「加入 kernel 除蟲大隊」需要具備什麼樣的基本技能呢？

首先，主要的工具「GNU Debugger」當然是必學的主題，不過因為這次的主題是 kernel debug，因此只約略介紹 user-space 下幾個重要的除錯觀念：

Breakpoint, single step, inspect variables

如何設定中斷點，進行單步執行，並在程式 run-time 時期檢視變數內容。

Segmentation fault

程式被訊號（signal）被中止時，怎麼找到不正常終止的程式碼。一個典型的 segmentation fault 是發生在程式存取非法的記憶體位置時。

Core dump

程式不正常中止時，會產生 core dump 檔案。透過 core dump 檔與原始的 ELF image 來比對出程式發生不正常中斷的行號。

Multi-threaded, client-server, GUI

多執行緒的除錯、client-server 架構與 GUI 系統的除錯也是重要的除錯技能。以多執行緒為例，我們可以透過「attach」的方式讓 gdb attach 到執行中的子程序進行除錯；又以 GUI 系統為例，我們有時會想要追踪一個由 kernel 發出到 UI 端的事件（event)，或是追踪 IPC 的訊息內容。針對這部份來說，有時透過除錯來觀察「系統行為」會比程式邏輯的除錯來得重要，當然除錯上也會稍微複雜一些。

針對 kernel debug 的部份來說，初學者應該以「建立正確使用除錯工具的觀念」與「建立合適的除錯環境」為主軸。另外，對於 oops（kernel panic）訊息的分析，則是核心除錯的重頭大戲，只是這裡所涉及的背景知識會多一些，在投影片裡列出 oops 訊息分析所應了解的幾個主題。不過，不管是 user-space 除錯，或是 kernel-space 除錯，仍必須建立基本的系統程式觀念，像是：

* symbol table
* process virtual address space
* kernel virtual address space
* system call
* exceptions
* stack, heap

本次演講，也介紹了一些關於核心除錯的重要觀念，幾個未列在投影片的部份，在這裡做個簡單整理。

開機是一個循序式過程

Kernel 的開機過程，是一個傳統的「循序式（sequence）」執行過程，如同我們展示以 gdb + qemu 進行除錯一樣，可以檢視並了解 kernel 的開機流程，以及開機失敗時的程式碼位置。

開機完成後是狀態切換

當 kernel 開機完成後，便會啟動一個外部程式，稱為 init process，從這個時間開始，user-space 程式便得以執行。Kernel 此時並不是一個循序式執行（sequential function calls）的狀態。

當不同的 process 執行時，因為呼叫的 system call 不同，因此 kernel 的狀態也不同。再舉一例，以驅動程式來說，在開機過程中，kernel module 只做載入的動作；但是，驅動程式所實作的 system call，如：read、write、ioctl，則是必須透過 user program 執行 system call 才會被叫用。以後面的例子來說，這就不會只是一個單的 kernel debug，或者說「並不是只對 kernel 做除錯」。

Remote Debug

以 remote debug 的方式進行除錯，remote 端（target 端）所載入的 kernel 是編譯完成後，放置於 arch/arm/boot（以 ARM 為例）目錄下的 kernel image，這是 target 端所使用的 kernel image（run-time）。

Local 端（除錯本機端）也要載入 kernel image，此時載入 kernel image 的目的是為了讀取 symbol table 以及其它 ELF 節區資訊，這裡所載入的 kernel image 為 ‘vmlinux’，即編譯完成後放置於 kernel 根目錄下的原始 ELF image file。由此可知，本機端的 ELF image 必須包含完整的除錯資訊，讓 kernel image 包含除錯資訊的做法是在編譯核心時，將幾個除錯選項打開，這部份在簡報中有做說明。

最後，大家可以參考 jserv 兄過去所發表過有關gdb的演講簡報 [「快快樂樂學 GNU Debugger (gdb) Part I + II」簡報上線]。

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