Linux Linux内核

Linux内核0-使用QEMU和GDB调试Linux内核

基于x86架构搭建Linux内核调试环境

Posted by Tupelo Shen on February 27, 2020

（文章大部分转载于：https://consen.github.io/2018/01/17/debug-linux-kernel-with-qemu-and-gdb/）

排查Linux内核Bug，研究内核机制，除了查看资料阅读源码，还可通过调试器，动态分析内核执行流程。

QEMU模拟器原生支持GDB调试器，这样可以很方便地使用GDB的强大功能对操作系统进行调试，如设置断点；单步执行；查看调用栈、查看寄存器、查看内存、查看变量；修改变量改变执行流程等。

编译调试版内核

对内核进行调试需要解析符号信息，所以得编译一个调试版内核。

$ cd linux-4.14
$ make menuconfig
$ make -j 20

这里需要开启内核参数CONFIG_DEBUG_INFO和CONFIG_GDB_SCRIPTS。GDB提供了Python接口来扩展功能，内核基于Python接口实现了一系列辅助脚本，简化内核调试，开启CONFIG_GDB_SCRIPTS参数就可以使用了。

Kernel hacking  ---> 
    [*] Kernel debugging
    Compile-time checks and compiler options  --->
        [*] Compile the kernel with debug info
        [*]   Provide GDB scripts for kernel debugging

构建initramfs根文件系统

Linux系统启动阶段，boot loader加载完内核文件vmlinuz后，内核紧接着需要挂载磁盘根文件系统，但如果此时内核没有相应驱动，无法识别磁盘，就需要先加载驱动，而驱动又位于/lib/modules，得挂载根文件系统才能读取，这就陷入了一个两难境地，系统无法顺利启动。于是有了initramfs根文件系统，其中包含必要的设备驱动和工具，boot loader加载initramfs到内存中，内核会将其挂载到根目录/,然后运行/init脚本，挂载真正的磁盘根文件系统。

这里借助BusyBox构建极简initramfs，提供基本的用户态可执行程序。

编译BusyBox，配置CONFIG_STATIC参数，编译静态版BusyBox，编译好的可执行文件busybox不依赖动态链接库，可以独立运行，方便构建initramfs。

$ cd busybox-1.28.0
$ make menuconfig

选择配置项：

Settings  --->
    [*] Build static binary (no shared libs)

执行编译、安装：

$ make -j 20
$ make install

会安装在_install目录:

$ ls _install 
bin  linuxrc  sbin  usr

创建initramfs，其中包含BusyBox可执行程序、必要的设备文件、启动脚本init。这里没有内核模块，如果需要调试内核模块，可将需要的内核模块包含进来。init脚本只挂载了虚拟文件系统procfs和sysfs，没有挂载磁盘根文件系统，所有调试操作都在内存中进行，不会落磁盘。

$ mkdir initramfs
$ cd initramfs
$ cp ../_install/* -rf ./
$ mkdir dev proc sys
$ sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/
$ rm linuxrc
$ vim init
$ chmod a+x init
$ ls
$ bin   dev  init  proc  sbin  sys   usr

init文件内容：

#!/bin/busybox sh         
mount -t proc none /proc  
mount -t sysfs none /sys  

exec /sbin/init

打包initramfs:

$ find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz

调试

$ cd busybox-1.28.0
$ qemu-system-i386 -s -kernel ./linux-4.4.203/arch/i386/boot/bzImage -initrd ./initramfs.cpio.gz -nographic -append "console=ttyS0"
  • -s是-gdb tcp::1234缩写，监听1234端口，在GDB中可以通过target remote localhost:1234连接；
  • -kernel指定编译好的调试版内核；
  • -initrd指定制作的initramfs;
  • -nographic取消图形输出窗口，使QEMU成简单的命令行程序；
  • -append "console=ttyS0"将输出重定向到console，将会显示在标准输出stdio。

启动后的根目录, 就是initramfs中包含的内容：

/ # ls                    
bin   dev  init  proc  root  sbin  sys   usr
由于系统自带的GDB版本为7.2，内核辅助脚本无法使用，重新编译了一个新版GDB。 我的系统比较新，所以gdb版本是7.11，所以不需要重新编译。 
$ cd gdb-7.9.1
$ ./configure --with-python=$(which python2.7)
$ make -j 20
$ sudo make install

启动GDB:

$ cd linux-4.14
$ /usr/local/bin/gdb vmlinux
(gdb) target remote localhost:1234

使用内核提供的GDB辅助调试功能：

(gdb) apropos lx                                    
function lx_current -- Return current task          
function lx_module -- Find module by name and return the module variable                                 
function lx_per_cpu -- Return per-cpu variable      
function lx_task_by_pid -- Find Linux task by PID and return the task_struct variable                    
...(此处省略若干行)                      
lx-symbols -- (Re-)load symbols of Linux kernel and currently loaded modules                             
lx-version --  Report the Linux Version of the current kernel
(gdb) lx-cmdline 
console=ttyS0

在函数cmdline_proc_show设置断点，虚拟机中运行cat /proc/cmdline命令即会触发。

(gdb) b cmdline_proc_show                           
Breakpoint 1 at 0xffffffff81298d99: file fs/proc/cmdline.c, line 9.                                      
(gdb) c                                             
Continuing.                                         

Breakpoint 1, cmdline_proc_show (m=0xffff880006695000, v=0x1 <irq_stack_union+1>) at fs/proc/cmdline.c:9
9               seq_printf(m, "%s\n", saved_command_line);                                              
(gdb) bt
#0  cmdline_proc_show (m=0xffff880006695000, v=0x1 <irq_stack_union+1>) at fs/proc/cmdline.c:9
#1  0xffffffff81247439 in seq_read (file=0xffff880006058b00, buf=<optimized out>, size=<optimized out>, ppos=<optimized out>) at fs/seq_file.c:234
......（此处省略）
(gdb) p saved_command_line
$2 = 0xffff880007e68980 "console=ttyS0"

获取当前进程

《深入理解Linux内核》第三版第三章–进程，讲到内核采用了一种精妙的设计来获取当前进程。

Linux把跟一个进程相关的thread_info和内核栈stack放在了同一内存区域，内核通过esp寄存器获得当前CPU上运行进程的内核栈栈底地址，该地址正好是thread_info地址，由于进程描述符指针task字段在thread_info结构体中偏移量为0，进而获得task。相关汇编指令如下：

movl $0xffffe000, %ecx      /* 内核栈大小为8K，屏蔽低13位有效位。
andl $esp, %ecx
movl (%ecx), p

指令运行后，p就获得当前CPU上运行进程的描述符指针。

然而在调试器中调了下，发现这种机制早已经被废弃掉了。thread_info结构体中只剩下一个字段flags，进程描述符字段task已经删除，无法通过thread_info获取进程描述符了。

而且进程的thread_info也不再位于进程内核栈底了，而是放在了进程描述符task_struct结构体中，见提交sched/core: Allow putting thread_info into task_struct和x86: Move thread_info into task_struct，这样也无法通过esp寄存器获取thread_info地址了。

(gdb) p $lx_current().thread_info
$5 = {flags = 2147483648}
thread_info这个变量好像没有了，打印结果显示没有这个成员

这样做是从安全角度考虑的，一方面可以防止esp寄存器泄露后进而泄露进程描述符指针，二是防止内核栈溢出覆盖thread_info。

Linux内核从2.6引入了Per-CPU变量，获取当前指针也是通过Per-CPU变量实现的。

(gdb) p $lx_current().pid
$50 = 77
(gdb) p $lx_per_cpu("current_task").pid
$52 = 77

补充

在gdb中输入命令apropos lx，没有任何输出，说明无法调用python辅助函数。

(gdb) apropos lx

从stackoverflow网站上找到一篇文章gdb-lx-symbols-undefined-command，里边提到：

gdb -ex add-auto-load-safe-path /path/to/linux/kernel/source/root

Now the GDB scripts are automatically loaded, and lx-symbols is available.

但是，按照上面进行操作后，进入gdb调试画面后，提示：

To enable execution of this file add
    add-auto-load-safe-path /home/qemu2/qemu/linux-4.4.203/scripts/gdb/vmlinux-gdb.py
line to your configuration file "/home/qemu2/.gdbinit".
To completely disable this security protection add
    set auto-load safe-path /
line to your configuration file "/home/qemu2/.gdbinit".

上面的意思是，为了能够使能vmlinux-gdb.py的执行，需要添加

add-auto-load-safe-path /home/qemu2/qemu/linux-4.4.203/scripts/gdb/vmlinux-gdb.py

这行代码到我的配置文件/home/qemu2/.gdbinit中。但是，查看我的系统环境没有这个文件，于是自己新建了一个文件，并把上面的代码加入进入。但是在执行source ./.gdbinit命令时，提示add-auto-load-safe-path这个命令找不到，于是干脆把

set auto-load safe-path /

这行代码添加到配置文件/home/qemu2/.gdbinit中，再执行source ./.gdbinit命令，没有错误发生。

于是启动内核代码，然后在另一个命令行窗口中执行gdb调试，就像上面的操作一样，显示：

function lx_current -- Return current task
function lx_module -- Find module by name and return the module variable
function lx_per_cpu -- Return per-cpu variable
function lx_task_by_pid -- Find Linux task by PID and return the task_struct variable
function lx_thread_info -- Calculate Linux thread_info from task variable
lx-dmesg -- Print Linux kernel log buffer
lx-list-check -- Verify a list consistency
lx-lsmod -- List currently loaded modules
lx-ps -- Dump Linux tasks
lx-symbols -- (Re-)load symbols of Linux kernel and currently loaded modules

至此，终于可以安心调试内核了。

参考：

  1. Tips for Linux Kernel Development
  2. How to Build A Custom Linux Kernel For Qemu
  3. Linux Kernel System Debugging
  4. Debugging kernel and modules via gdb
  5. BusyBox simplifies embedded Linux systems
  6. Custom Initramfs
  7. Per-CPU variables
  8. Linux kernel debugging with GDB: getting a task running on a CPU
  9. gdb-kernel-debugging
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