?? (ldd) ch04-調試技術(轉載).htm
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color=#ffffff>聯系</FONT></A></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE>
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<P align=center><FONT face=黑體 color=#ffffff size=6>(LDD) Ch04-調試技術(轉載)
</FONT></P><SPAN style="LINE-HEIGHT: 1; LETTER-SPACING: 0pt"><FONT
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<P>發信人: Altmayer (alt), 信區: GNULinux<BR>標 題: (LDD) Ch04-調試技術(轉載)<BR>發信站: 飲水思源 (2001年12月13日08:57:14 星期四), 站內信件<BR> <BR>【 以下文字轉載自 <FONT
color=#00ff00>UNIXpost </FONT>討論區 】<BR>【 原文由<FONT
color=#00ff00> altmayer.bbs@bbs.nju.edu.cn,</FONT> 所發表 】<BR> <BR>【 以下文字轉載自 <FONT
color=#00ff00>altmayer </FONT>的信箱 】<BR> <BR>第4章 調試技術<BR> <BR> <BR>對于任何編寫內核代碼的人來說，最吸引他們注意的問題之一就是如何完成調試。由于<BR>內核是一個不與某個進程相關的功能集，其代碼不能很輕松地放在調試器中執行，而且<BR>也不能跟蹤。<BR> <BR>本章介紹你可以用來監視內核代碼和跟蹤錯誤的技術。<BR> <BR>用打印信息調試<BR>最一般的調試技術就是監視，就是在應用內部合適的點加上printf調用。當你調試內核<BR>代碼的時候，你可以用printk完成這個任務。<BR> <BR>Printk<BR></P></FONT><FONT
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<P>Printk<BR>在前些章中，我們簡單假設printk工作起來和printf很類似。現在是介紹一下它們之間<BR>不同的時候了。<BR> <BR>其中一個不同點就是，printk允許你根據它們的嚴重程度，通過附加不同的“記錄級”<BR>來對消息分類，或賦予消息優先級。你可以用宏來指示記錄級。例如，KERN_INFO，我們<BR>前面已經看到它被加在打印語句的前面，它就是一種可能的消息記錄級。記錄級宏展開<BR>為一個字串，在編譯時和消息文本拼接在一起；這也就是為什么下面的例子中優先級和<BR>格式字串間沒有逗號。這有兩個printk的例子，一個是調試信息，一個是關鍵信息：<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>在<linux/kernel.h>中定義了8種記錄級別串。沒有指定優先級的printk語句默認使用DE<BR>FAULT_MESSAGE_LOGLEVEL優先級，它是一個在kernel/printk.c中定義的整數。默認記錄<BR>級的具體數值在Linux的開發期間曾變化過若干次，所以我建議你最好總是指定一個合適<BR>的記錄級。<BR> <BR>根據記錄級，內核將消息打印到當前文本控制臺上：如果優先級低于console_loglevel<BR>這個數值的話，該消息就顯示在控制臺上。如果系統同時運行了klogd和syslogd，無論c<BR>onsole_loglevel為何值，內核都將消息追加到/var/log/messages中。<BR> <BR>變量console_loglevel最初初始化為DEFAULT_CONSOLE_LOGLEVEL，但可以通過sys_syslo<BR>g系統調用修改。如klogd的手冊所示，可以在啟動klogd時指定-c開關來修改這個變量。<BR></P></FONT><FONT
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<P>g系統調用修改。如klogd的手冊所示，可以在啟動klogd時指定-c開關來修改這個變量。<BR>此外，你還可以寫個程序來改變控制臺記錄級。你可以在O’Reilly站點上的源文件中找<BR>到我寫的一個這種功能的程序，miscprogs/setlevel.c。新優先級是通過一個1到8之間<BR>的整數值指定的。<BR> <BR>你也許需要在內核失效后降低記錄級（見“調試系統故障”），這是因為失效處理代碼<BR>會將console_loglevel提升到15，之后所有的消息都會出現在控制臺上。為看到你的調<BR>試信息，如果你運行的是內核2.0.x話，你需要提升記錄級。內核2.0發行降低了MINIMUM<BR>_CONSOLE_LOGLEVEL，而舊版本的klogd默認情況下要打印很多控制消息。如果你碰巧使<BR>用了這個舊版本的守護進程，除非你提升記錄級，內核2.0會比你預期的打印出更少的消<BR>息。這就是為什么hello.c中使用了<1>標記，這樣可以保證消息顯示在控制臺上。<BR> <BR>從1.3.43一來的內核版本通過允許你向指定虛控制臺發送消息，藉此提供一個靈活的記<BR>錄策略。默認情況下，“控制臺”是當前虛終端。也可以選擇不同的虛終端接收消息，<BR>你只需向所選的虛終端調用ioctl(TIOCLINUX)。如下程序，setconsole，可以用來選擇<BR>哪個虛終端接收內核消息；它必須以超級用戶身份運行。如果你對ioctl還不有把握，你<BR>可以跳過這至下一節，等到讀完第5章“字符設備驅動程序的擴展操作”的“ioctl”一<BR>節后，再回到這里讀這段代碼。<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>setconsole使用了用于Linux專用功能的特殊的ioctl命令TIOCLINUX。為了使用TIOCLINU<BR>X，你要傳遞給它一個指向字節數組的指針。數組的第一個字節是所請求的子命令的編碼<BR></P></FONT><FONT
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<P>X，你要傳遞給它一個指向字節數組的指針。數組的第一個字節是所請求的子命令的編碼<BR>，隨后的字節依命令而不同。在setconsole中使用了子命令11，后一個字節（存放在byt<BR>es[1]中）標別虛擬控制臺。TIOCLINUX的完成介紹可以在內核源碼drivers/char/tty_io<BR>..c中找到。<BR> <BR>消息是如何記錄的<BR>printk函數將消息寫到一個長度為LOG_BUF_LEN個字節的循環緩沖區中。然后喚醒任何等<BR>待消息的進程，即那些在調用syslog系統調用或讀取/proc/kmesg過程中睡眠的進程。這<BR>兩個訪問記錄引擎的接口是等價的。不過/proc/kmesg文件更象一個FIFO文件，從中讀取<BR>數據更容易些。一跳簡單的cat命令就可以讀取消息。<BR> <BR>如果循環緩沖區填滿了，printk就繞到緩沖區的開始處填寫新數據，覆蓋舊數據。于是<BR>記錄進程就丟失了最舊的數據。這個問題與利用循環緩沖區所獲得的好處相比可以忽略<BR>不計。例如，循環緩沖區可以使系統在沒有記錄進程的情況下照樣運行，同時又不浪費<BR>內存。Linux處理消息的方法的另一個特點是，可以在任何地方調用printk，甚至在中斷<BR>處理函數里也可以調用，而且對數據量的大小沒有限制。這個方法的唯一缺點就是可能<BR>丟失某些數據。<BR> <BR>如果klogd正在運行，它讀取內核消息并將它們分派到syslogd，它隨后檢查/etc/syslog<BR>..conf找到處理這些數據的方式。syslogd根據一個“設施”和“優先級”切分消息；可<BR>以使用的值定義在<sys/syslog.h>中。內核消息根據相應printk中指定的優先級記錄到L<BR>OG_KERN設施中。如果klogd沒有運行，數據將保存在循環緩沖區中直到有進程來讀取數<BR>據或數據溢出。<BR></P></FONT><FONT
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<P>據或數據溢出。<BR> <BR>如果你不希望因監視你的驅動程序的消息而把你的系統記錄搞亂，你給klogd指定-f（文<BR>件）選項或修改/etc/syslog.conf將記錄寫到另一個文件中。另一種方法是一種強硬方<BR>法：殺掉klogd，將消息打印到不用的虛終端上*，或者在一個不用的xterm上執行cat<BR>/proc/kmesg顯示消息。<BR> <BR>使用預處理方便監視處理<BR>在驅動程序開發早期，printk可以對調試和測試新代碼都非常有幫助。然而當你正式發<BR>行驅動程序時，你應該去掉，或者至少關閉，這些打印語句。很不幸，你可能很快就發<BR>現，隨著你想不再需要那些消息并去掉它們時，你可能又要加新功能，你又需要這些消<BR>息了。解決這些問題有幾種方法――如何從全局打開和關閉消息以及如何打開和關閉個<BR>別消息。<BR> <BR>下面給出了我處理消息所用的大部分代碼，它有如下一些功能：<BR> <BR>l 可以通過在宏名字加一個字母或去掉一個字母打開或關閉每一條語句。<BR> <BR>l 通過在編譯前修改CFLAGS變量，可以一次關閉所有消息。<BR> <BR>l 同樣的打印語句既可以用在內核態（驅動程序）也可以用在用戶態（演示或測<BR>試程序）。<BR> <BR></P></FONT><FONT
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<P><BR>下面這些直接來自scull.h的代碼片斷實現了這些功能。<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>符合PDEBUG和PDEBUGG依賴于是否定義了SCULL_DEBUG，它們都和printf調用很類似。<BR> <BR>為了進一步方便這個過程，在你的Makefile加上如下幾行。<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>本節所給出的代碼依賴于gcc對ANSI C預編譯器的擴展，gcc可以支持帶可變數目參數的<BR>宏。這種對gcc的依賴并不是什么問題，因為內核對gcc特性的依賴更強。此外，Makefil<BR>e依賴于GNU的gmake；基于同樣的道理，這也不是什么問題。<BR> <BR>如果你很熟悉C預編譯器，你可以將上面的定義擴展為可以支持“調試級”概念的，可以<BR>為每級賦一個整數（或位圖），說明這一級打印多么瑣碎的消息。<BR> <BR>但是每一個驅動程序都有它自己的功能和監視需求。好的編程技巧會在靈活性和高效之<BR>間找到一個權衡點，這個我就不能說哪個對你最好了。記住，預編譯器條件（還有代碼<BR>中的常量表達式）只到編譯時運行，你必須重新編譯程序來打開或關閉消息。另一種方<BR>法就是使用C條件語句，它在運行時運行，因此可以讓你在程序執行期間打開或關閉消息<BR>。這個功能很好，但每次代碼執行系統都要進行額外的處理，甚至在消息關閉后仍然會<BR></P></FONT><FONT
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<P>。這個功能很好，但每次代碼執行系統都要進行額外的處理，甚至在消息關閉后仍然會<BR>影響性能。有時這種性能損失是無法接受的。<BR> <BR>個人觀點，盡管上面給出的宏迫使你每次要增加或去掉消息時都要重新編譯，重新加載<BR>模塊，但我覺得用這些宏已經很好了。<BR> <BR>通過查詢調試<BR>上一節談到了printk是如何工作的以及如何使用它。但沒有談及它的缺點。<BR> <BR>由于syslogd會一直保持刷新它的輸出文件，每打印一行都會引起一次磁盤操作，因此過<BR>量使用printk會嚴重降低系統性能。至少從syslogd的角度看是這樣的。它會將所有的數<BR>據都一股腦地寫到磁盤上，以防在打印消息后系統崩潰；然而，你不想因為調試信息的<BR>緣故而降低系統性能。這個問題可以通過在/etc/syslogd.conf中記錄文件的名字前加一<BR>個波折號解決，但有時你不想修改你的配置文件。如果不這樣，你還可以運行一個非klo<BR>gd的程序（如前面介紹的cat /proc/kmesg），但這樣并不能為正常操作提供一個合適的<BR>環境。<BR> <BR>與這相比，最好的方法就是在你需要信息的時候，通過查詢系統獲得相關信息，而不是<BR>持續不斷地產生數據。事實上，每一個Unix系統都提供了很多工具用來獲得系統信息：p<BR>s，netstat，vmstat等等。<BR> <BR>有許多技術適合與驅動程序開發人員查詢系統，簡而言之就是，在/proc下創建文件和使<BR>用ioctl驅動程序方法。<BR></P></FONT><FONT
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<P>用ioctl驅動程序方法。<BR> <BR>使用/proc文件系統<BR>Linux中的/proc文件系統與任何設備都沒有關系――/proc中的文件都在被讀取時有核心<BR>創建的。這些文件都是普通的文本文件，它們基本上可由普通人理解，也可被工具程序<BR>理解。例如，對于大多數Linux的ps實現而言，它都通過讀取/proc文件系統獲得進程表<BR>信息的。/proc虛擬文件的創意已由若干現代操作系統使用，且非常成功。<BR> <BR>/proc的當前實現可以動態創建i節點，允許用戶模塊為方便信息檢索創建如何入口點。<BR> <BR>為了在/proc中創建一個健全的文件節點（可以read，write，seek等等），你需要定義f<BR>ile_operations結構和inode_operations結構，后者與前者有類似的作用和尺寸。創建<BR>這樣一個i節點比起創建整個字符設備并沒有什么不同。我們這里不討論這個問題，如果<BR>你感興趣，你可以在源碼樹fs/proc中獲得進一步細節。<BR> <BR>與大多數/proc文件一樣，如果文件節點僅僅用來讀，創建它們是比較容易的，我將這里<BR>介紹這一技術。很不幸，這一技術只能在Linux 2.0及其后續版本中使用。<BR> <BR>這里是創建一個稱為/proc/scullmem文件的scull代碼，這個文件用來獲取scull使用的<BR>內存信息。<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR></P></FONT><FONT
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<P><BR>填寫/proc文件非常容易。你的函數獲取一個空閑頁面填寫數據；它將數據寫進緩沖區并<BR>返回所寫數據的長度。其他事情都由/proc文件系統處理。唯一的限制就是所寫的數據不<BR>能超過PAGE_SIZE個字節（宏PAGE_SIZE定義在頭文件<asm/page.h>中；它是與體系結構<BR>相關的，但你至少可以它有4KB大小）。<BR> <BR>如果你需要寫多于一個頁面的數據，你必須實現功能健全的文件。<BR> <BR>注意，如果一個正在讀你的/proc文件的進程發出了若干read調用，每一個都獲取新數據<BR>，盡管只有少量數據被讀取，你的驅動程序每次都要重寫整個緩沖區。這些額外的工作<BR>會使系統性能下降，而且如果文件產生的數據與下一次的不同，以后的read調用要重新<BR>裝配不相關的部分，這一會造成數據錯位。事實上，由于每個使用C庫的應用程序都大塊<BR>地讀取數據，性能并不是什么問題。然而，由于錯位時有發生，它倒是一個值得考慮的<BR>問題。在獲取數據后，庫調用至少要調用1次read――只有當read返回0時才報告文件尾<BR>。如果驅動程序碰巧比前面產生了更多的數據，系統就返回到用戶空間額外的字節并且<BR>與前面的數據塊是錯位的。我們將在第6章“時間流”的“任務隊列”一節中涉及/proc/<BR>jiq*，那時我們還會遇到錯位問題。<BR> <BR>cleanup_module中應該使用下面的語句注銷/proc節點：<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>傳遞給函數的參數是包含要撤銷文件的目錄名和文件的i節點號。由于i節點號是自動分<BR></P></FONT><FONT
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<P>傳遞給函數的參數是包含要撤銷文件的目錄名和文件的i節點號。由于i節點號是自動分<BR>配的，在編譯時是無法知道的，必須從數據結構中讀取。<BR> <BR>ioctl方法<BR>ioctl，下一章將詳細討論，是一個系統調用，它可以操做在文件描述符上；它接收一個<BR>“命令”號和（可選的）一個參數，通常這是一個指針。<BR> <BR>做為替代/proc文件系統的方法，你可以為調試實現若干ioctl命令。這些命令從驅動程<BR>序空間復制相關數據到進程空間，在進程空間里檢查這些數據。<BR> <BR>只有使用ioctl獲取信息比起/proc來要困難一些，因為你一個程序調用ioctl并顯示結果<BR>。必須編寫這樣的程序，還要編譯，保持與你測試的模塊間的一致性等。<BR> <BR>不過有時候這是最好的獲取信息的方法，因為它比起讀/proc來要快得多。如果在數據寫<BR>到屏幕前必須完成某些處理工作，以二進制獲取數據要比讀取文本文件有效得多。此外<BR>，ioctl不限制返回數據的大小。<BR> <BR>ioctl方法的一個優點是，當調試關閉后調試命令仍然可以保留在驅動程序中。/proc文<BR>件對任何查看這個目錄的人都是可見的，然而與/proc文件不同，未公開的ioctl命令通<BR>常都不會被注意到。此外，如果驅動程序有什么異常，它們仍然可以用來調試。唯一的<BR>缺點就是模塊會稍微大一些。<BR> <BR>通過監視調試<BR></P></FONT><FONT
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<P>通過監視調試<BR>有時你遇到的問題并不特別糟，通過在用戶空間運行應用程序來查看驅動程序與系統之<BR>間的交互過程可以幫助你捕捉到一些小問題，并可以驗證驅動程序確實工作正常。例如<BR>，看到scull的read實現如何處理不同數據量的read請求后，我對scull更有信心。<BR> <BR>有許多方法監視一個用戶態程序的工作情況。你可以用調試器一步步跟蹤它的函數，插<BR>入打印語句，或者用strace運行程序。在實際目的是查看內核代碼時，最后一項技術非<BR>常有用。<BR> <BR>strace命令是一個功能非常強大的工具，它可以現實程序所調用的所有系統調用。它不<BR>僅可以顯示調用，而且還能顯示調用的參數，以符號方式顯示返回值。當系統調用失敗<BR>時，錯誤的符號值（如，ENOMEM）和對應的字串（Out of memory）同時顯示。strace還<BR>有許多命令行選項；最常用的是-t，它用來顯示調用發生的時間，-T，顯示調用所花費<BR>的時間，以及-o，將輸出重定向到一個文件中。默認情況下，strace將所有跟蹤信息打<BR>印到stderr上。<BR> <BR>strace從內核接收信息。這意味著一個程序無論是否按調試方式編譯（用gcc的-g選項）<BR>或是被去掉了符號信息都可以被跟蹤。與調試器可以連接到一個運行進程并控制它類似<BR>，你還可以跟蹤一個已經運行的進程。<BR> <BR>跟蹤信息通常用來生成錯誤報告報告給應用開發人員，但是對內核編程人員來說也一樣<BR>非常有用。我們可以看到系統調用是如何執行驅動程序代碼的；strace允許我們檢查每<BR>一次調用輸入輸出的一致性。<BR></P></FONT><FONT
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<P>一次調用輸入輸出的一致性。<BR> <BR>例如，下面的屏幕輸出給出了命令ls /dev > /dev/scull0的最后幾行：<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>很明顯，在ls完成目標目錄的檢索后首次對write的調用中，它試圖寫4KB。很奇怪，只<BR>寫了4000個字節，接著重試這一操作。然而，我們知道scull的write實現每次只寫一個<BR>量子，我在這里看到了部分寫。經過若干步驟之后，所有的東西都清空了，程序正常退<BR>出。<BR> <BR>另一個例子，讓我們來讀scull設備：<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>正如所料，read每次只能讀到4000個字節，但是數據總量是不變的。注意本例中重試工<BR>作是如何組織的，注意它與上面寫跟蹤的對比。wc專門為快速讀數據進行了優化，它繞<BR>過了標準庫，以便每次用一個系統調用讀取更多的數據。你可以從跟蹤的read行中看到w<BR>c每次要讀16KB。<BR> <BR>Unix專家可以在strace的輸出中找到很多有用信息。如果你被這些符號搞得滿頭霧水，<BR>我可以只看文件方法（open，read等等）是如何工作的。<BR> <BR></P></FONT><FONT
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<P><BR>個人認為，跟蹤工具在查明系統調用的運行時錯誤過程中最有用。通常應用或演示程序<BR>中的perror調用不足以用來調試，而且對于查明到底是什么樣的參數觸發了系統調用的<BR>錯誤也很有幫助。<BR> <BR>調試系統故障<BR>即便你用了所有監視和調試技術，有時候驅動程序中依然有錯誤，當這樣的驅動程序執<BR>行會會造成系統故障。當這種情況發生時，獲取足夠多的信息來解決問題是至關重要的<BR>。<BR> <BR>注意，“故障”不意味著“panic”。Linux代碼非常魯棒，可以很好地響應大部分錯誤<BR>：故障通常會導致當前進程的終止，但系統繼續運行。如果在進程上下文之外發生故障<BR>，或是組成系統的重要部件發生故障時，系統可能panic。但問題出在驅動程序時，通常<BR>只會導致產生故障的進程終止――即那個使用驅動程序的進程。唯一不可恢復的損失就<BR>是當進程被終止時，進程上下文分配的內存丟失了；例如，由驅動程序通過kmalloc分配<BR>的動態鏈表可能丟失。然而，由于內核會對尚是打開的設備調用close，你的驅動程序可<BR>以釋放任何有open方法分配的資源。<BR> <BR>我們已經說過，當內核行為異常時會在控制臺上顯示一些有用的信息。下一節將解釋如<BR>何解碼和使用這些消息。盡管它們對于初學者來說相當晦澀，處理器的給出數據都是些<BR>很有意思的信息，通常無需額外測試就可以查明程序錯誤。<BR> <BR>Oops消息<BR></P></FONT><FONT
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<P>Oops消息<BR>大部分錯誤都是NULL指針引用或使用其他不正確的指針數值。這些錯誤通常會導致一個o<BR>ops消息。<BR> <BR>由處理器使用的地址都是“虛”地址，而且通過一個復雜的稱為頁表（見第13章“Mmap<BR>和DMA”中的“頁表”一節）的結構映射為物理地址。當引用一個非法指針時，頁面映射<BR>機制就不能將地址映射到物理地址，并且處理器向操作系統發出一個“頁面失效”。如<BR>果地址確實是非法的，內核就無法從失效地址上“換頁”；如果此時處理在超級用戶太<BR>，系統于是就產生一個“oops”。值得注意的是，在版本2.1中內核處理失效的方式有所<BR>變化，它可以處理在超級用戶態的非法地址引用了。新實現將在第17章“最近發展”的<BR>“處理內核空間失效”中介紹。<BR> <BR>oops顯示故障時的處理器狀態，模塊CPU寄存器內容，頁描述符表的位置，以及其他似乎<BR>不能理解的信息。這些是由失效處理函數（arch/*/kernel/traps.c）中的printk語句產<BR>生的，而且象前面“Printk”一節介紹的那樣進行分派。<BR> <BR>讓我們看看這樣一個消息。這里給出的是傳統個人電腦（x86平臺），運行Linux 2.0或<BR>更新版本的oops――版本1.2的輸出稍有不同。<BR> <BR>（代碼）<BR> <BR>上面的消息是在一個有意加入錯誤的失效模塊上運行cat所至。fault.c崩潰如下代碼：<BR> <BR></P></FONT><FONT
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