揭开Linux系统内核调试器的神秘面纱（一）
时间：2007-05-22 来源：lingfen1552
KDB 入门指南
调试内核问题时，能够跟踪内核执行情况并查看其内存和数据结构是非常有用的。Linux 中的内置内 核调试器 KDB 提供了这种功能。在本文中您把了解怎么样使用 KDB 所提供的功能，以及怎么样在 Linux 机器上安装和设置 KDB。您还把熟悉 KDB 中可以使用的命令以及设置和显示选项。
Linux 内核调试器（KDB）允许您调试 Linux 内核。这个恰如其名的工具实质上是内核代码的补丁，它允许高手访问内核内存和数据结构。KDB 的主要优点之一就是它不需要用另一台机器进行调试：您可以调试正在运行的内核。
设置一台用于 KDB 的机器需要花费一些工作，因为需要给内核打补丁并进行重新编译。KDB 的用户应当熟悉 Linux 内核的编译（在一定程度上还要熟悉内核内部机理），但是如果您需要编译内核方面的帮助，请参阅本文结尾处的参考资料一节。
在本文中，我们把从有关下载 KDB 补丁、打补丁、（重新）编译内核以及启动 KDB 方面的信息着手。然后我们把了解 KDB 命令并研究一些较常用的命令。最后，我们把研究一下有关设置和显示选项方面的一些详细信息。
入门
KDB 项目是由 Silicon Graphics 维护的（请参阅参考资料以获取链接），您需要从它的 FTP 站点下载与内核版本有关的补丁。（在编写本文时）可用的最新 KDB 版本是 4.2。您把需要下载并应用两个补丁。
一个是“公共的”补丁，包含了对通用内核代码的更改，另一个是特定于体系结构的补丁。补丁可作为 bz2 文件获取。例如，在运行 2.4.20 内核的 x86 机器上，您会需要 kdb-v4.2-2.4.20-common-1.bz2 和 kdb-v4.2-2.4.20-i386-1.bz2。
这里所提供的所有示例都是针对 i386 体系结构和 2.4.20 内核的。您把需要根据您的机器和内核版本进行适当的更改。您还需要拥有 root 许可权以执行这些操作。
把文件复制到 /usr/src/linux 目录中并从用 bzip2 压缩的文件解压缩补丁文件：
#bzip2 -d kdb-v4.2-2.4.20-common-1.bz2
#bzip2 -d kdb-v4.2-2.4.20-i386-1.bz2
您把获得 kdb-v4.2-2.4.20-common-1 和 kdb-v4.2-2.4-i386-1 文件。
现在，应用这些补丁：
#patch -p1
#patch -p1
这些补丁应该干净利落地加以应用。查找任何以 .rej 结尾的文件。这个扩展名表明这些是失败的补丁。如果内核树没问题，那么补丁的应用就不会有任何问题。
接下来，需要构建内核以支持 KDB。第一步是设置 CONFIG_KDB 选项。使用您喜欢的配置机制（xconfig 和 menuconfig 等）来完成这一步。转到结尾处的“Kernel hacking”部分并选择“Built-in Kernel Debugger support”选项。
您还可以根据自己的偏好选择其它两个选项。选择“Compile the kernel with frame pointers”选项（如果有的话）则设置 CONFIG_FRAME_POINTER 标志。这把产生更好的堆栈回溯，因为帧指针寄存器被用作帧指针而不是通用寄存器。
您还可以选择“KDB off by default”选项。这把设置 CONFIG_KDB_OFF 标志，并且在缺省情况下把关闭 KDB。我们把在后面一节中对此进行详细介绍。
保存配置，然后退出。重新编译内核。建议在构建内核之前执行“make clean”。用常用方式安装内核并引导它。
初始化并设置环境变量
您可以定义把在 KDB 初始化期间执行的 KDB 命令。需要在纯文本文件 kdb_cmds 中定义这些命令，该文件位于 Linux 源代码树（当然是在打了补丁之后）的 KDB 目录中。该文件还可以用来定义设置显示和打印选项的环境变量。文件开头的注释提供了编辑文件方面的帮助。使用这个文件的缺点是，在您更改了文件之后需要重 新构建并重新安装内核。
激活 KDB
如果编译期间没有选中 CONFIG_KDB_OFF，那么在缺省情况下 KDB 是活动的。否则，您需要显式地激活它 － 通过在引导期间把 kdb=on 标志传递给内核或者通过在挂装了 /proc 之后执行该工作：
#echo "1" ＞/proc/sys/kernel/kdb
倒过来执行上述步骤则会取消激活 KDB。也就是说，如果缺省情况下 KDB 是打开的，那么把 kdb=off 标志传递给内核或者执行下面这个操作把会取消激活 KDB：
#echo "0" ＞/proc/sys/kernel/kdb
我们可以看到 rmqueue() 被 __alloc_pages 调用，后者接下来又被 _alloc_pages 调用，以此类推。
每一帧的第一个双字（double word）指向下一帧，这后面紧跟着调用函数的地址。因此，跟踪堆栈就变成一件轻松的工作了。
go 命令可以有选择地以一个地址作为参数。如果您想在某个特定地址处继续执行，则可以提供该地址作为参数。另一个办法是使用 rm 命令修改指令指针寄存器，然后只要输入 go。如果您想跳过似乎会引起问题的某个特定指令或一组指令，这就会很有用。但是，请注意，该指令使用不慎会造成严重的问题，系统可能会严重崩溃。
您可以利用一个名为 defcmd 的有用命令来定义自己的命令集。例如，每当遇到断点时，您可能希望能同时检查某个特殊变量、检查某些寄存器的内容并转储堆栈。通常，您必须要输入一系列命 令，以便能同时执行所有这些工作。defcmd 允许您定义自己的命令，该命令可以包含一个或多个预定义的 KDB 命令。然后只需要用一个命令就可以完成所有这三项工作。其语法如下：
[code:1:6ddc15f4ad][0]kdb> defcmd name "usage" "help"
[0]kdb> [defcmd] type the commands here
[0]kdb> [defcmd] endefcmd [/code:1:6ddc15f4ad]
例如，可以定义一个（简单的）新命令 hari，它显示从地址 0xc000000 开始的一行内存、显示寄存器的内容并转储堆栈：
[code:1:6ddc15f4ad][0]kdb> defcmd hari "" "no arguments needed"
[0]kdb> [defcmd] md 0xc000000 1
[0]kdb> [defcmd] rd
[0]kdb> [defcmd] md %ebp 1
[0]kdb> [defcmd] endefcmd [/code:1:6ddc15f4ad]
该命令的输出会是：
[code:1:6ddc15f4ad][0]kdb> hari
[hari]kdb> md 0xc000000 1
0xc000000 00000001 f000e816 f000e2c3 f000e816
[hari]kdb> rd
eax = 0x00000000 ebx = 0xc0105330 ecx = 0xc0466000 edx = 0xc0466000
....
[hari]kdb> md %ebp 1
0xc0467fbc c0467fd0 c01053d2 00000002 000a0200
[0]kdb> [/code:1:6ddc15f4ad]
可以使用 bph 和 bpha 命令（假如体系结构支持使用硬件寄存器）来应用读写断点。这意味着每当从某个特定地址读取数据或将数据写入该地址时，我们都可以对此进行控制。当调试数据 ／内存毁坏问题时这可能会极其方便，在这种情况中您可以用它来识别毁坏的代码／进程。
示例
[code:1:6ddc15f4ad]每当将四个字节写入地址 0xc0204060 时就进入内核调试器：
[0]kdb> bph 0xc0204060 dataw 4
在读取从 0xc000000 开始的至少两个字节的数据时进入内核调试器：
[0]kdb> bph 0xc000000 datar 2[/code:1:6ddc15f4ad]
[size=18:6ddc15f4ad]结束语[/size:6ddc15f4ad]
对于执行内核调试，KDB 是一个方便的且功能强大的工具。它提供了各种选项，并且使我们能够分析内存内容和数据结构。最妙的是，它不需要用另一台机器来执行调试。
C 语言作为 Linux 系统上标准的编程语言给予了我们对动态内存分配很大的控制权。然而，这种自由可能会导致严重的内存管理问题，而这些问题可能导致程序崩溃或随时间的推移导致性能降级。
内存泄漏（即 malloc() 内存在对应的 free() 调用执行后永不被释放）和缓冲区溢出（例如对以前分配到某数组的内存进行写操作）是一些常见的问题，它们可能很难检测到。这一部分将讨论几个调试工具，它们极大地简化了检测和找出内存问题的过程。
MEMWATCH 由 Johan Lindh 编写，是一个开放源代码 C 语言内存错误检测工具，您可以自己下载它（请参阅本文后面部分的参考资料）。只要在代码中添加一个头文件并在 gcc 语句中定义了 MEMWATCH 之后，您就可以跟踪程序中的内存泄漏和错误了。MEMWATCH 支持 ANSI C，它提供结果日志纪录，能检测双重释放（double-free）、错误释放（erroneous free）、没有释放的内存（unfreed memory）、溢出和下溢等等。
调试内核问题时，能够跟踪内核执行情况并查看其内存和数据结构是非常有用的。Linux 中的内置内 核调试器 KDB 提供了这种功能。在本文中您把了解怎么样使用 KDB 所提供的功能，以及怎么样在 Linux 机器上安装和设置 KDB。您还把熟悉 KDB 中可以使用的命令以及设置和显示选项。
Linux 内核调试器（KDB）允许您调试 Linux 内核。这个恰如其名的工具实质上是内核代码的补丁，它允许高手访问内核内存和数据结构。KDB 的主要优点之一就是它不需要用另一台机器进行调试：您可以调试正在运行的内核。
设置一台用于 KDB 的机器需要花费一些工作，因为需要给内核打补丁并进行重新编译。KDB 的用户应当熟悉 Linux 内核的编译（在一定程度上还要熟悉内核内部机理），但是如果您需要编译内核方面的帮助，请参阅本文结尾处的参考资料一节。
在本文中，我们把从有关下载 KDB 补丁、打补丁、（重新）编译内核以及启动 KDB 方面的信息着手。然后我们把了解 KDB 命令并研究一些较常用的命令。最后，我们把研究一下有关设置和显示选项方面的一些详细信息。
入门
KDB 项目是由 Silicon Graphics 维护的（请参阅参考资料以获取链接），您需要从它的 FTP 站点下载与内核版本有关的补丁。（在编写本文时）可用的最新 KDB 版本是 4.2。您把需要下载并应用两个补丁。
一个是“公共的”补丁，包含了对通用内核代码的更改，另一个是特定于体系结构的补丁。补丁可作为 bz2 文件获取。例如，在运行 2.4.20 内核的 x86 机器上，您会需要 kdb-v4.2-2.4.20-common-1.bz2 和 kdb-v4.2-2.4.20-i386-1.bz2。
这里所提供的所有示例都是针对 i386 体系结构和 2.4.20 内核的。您把需要根据您的机器和内核版本进行适当的更改。您还需要拥有 root 许可权以执行这些操作。
把文件复制到 /usr/src/linux 目录中并从用 bzip2 压缩的文件解压缩补丁文件：
#bzip2 -d kdb-v4.2-2.4.20-common-1.bz2
#bzip2 -d kdb-v4.2-2.4.20-i386-1.bz2
您把获得 kdb-v4.2-2.4.20-common-1 和 kdb-v4.2-2.4-i386-1 文件。
现在，应用这些补丁：
#patch -p1
#patch -p1
这些补丁应该干净利落地加以应用。查找任何以 .rej 结尾的文件。这个扩展名表明这些是失败的补丁。如果内核树没问题，那么补丁的应用就不会有任何问题。
接下来，需要构建内核以支持 KDB。第一步是设置 CONFIG_KDB 选项。使用您喜欢的配置机制（xconfig 和 menuconfig 等）来完成这一步。转到结尾处的“Kernel hacking”部分并选择“Built-in Kernel Debugger support”选项。
您还可以根据自己的偏好选择其它两个选项。选择“Compile the kernel with frame pointers”选项（如果有的话）则设置 CONFIG_FRAME_POINTER 标志。这把产生更好的堆栈回溯，因为帧指针寄存器被用作帧指针而不是通用寄存器。
您还可以选择“KDB off by default”选项。这把设置 CONFIG_KDB_OFF 标志，并且在缺省情况下把关闭 KDB。我们把在后面一节中对此进行详细介绍。
保存配置，然后退出。重新编译内核。建议在构建内核之前执行“make clean”。用常用方式安装内核并引导它。
初始化并设置环境变量
您可以定义把在 KDB 初始化期间执行的 KDB 命令。需要在纯文本文件 kdb_cmds 中定义这些命令，该文件位于 Linux 源代码树（当然是在打了补丁之后）的 KDB 目录中。该文件还可以用来定义设置显示和打印选项的环境变量。文件开头的注释提供了编辑文件方面的帮助。使用这个文件的缺点是，在您更改了文件之后需要重 新构建并重新安装内核。
激活 KDB
如果编译期间没有选中 CONFIG_KDB_OFF，那么在缺省情况下 KDB 是活动的。否则，您需要显式地激活它 － 通过在引导期间把 kdb=on 标志传递给内核或者通过在挂装了 /proc 之后执行该工作：
#echo "1" ＞/proc/sys/kernel/kdb
倒过来执行上述步骤则会取消激活 KDB。也就是说，如果缺省情况下 KDB 是打开的，那么把 kdb=off 标志传递给内核或者执行下面这个操作把会取消激活 KDB：
#echo "0" ＞/proc/sys/kernel/kdb
我们可以看到 rmqueue() 被 __alloc_pages 调用，后者接下来又被 _alloc_pages 调用，以此类推。
每一帧的第一个双字（double word）指向下一帧，这后面紧跟着调用函数的地址。因此，跟踪堆栈就变成一件轻松的工作了。
go 命令可以有选择地以一个地址作为参数。如果您想在某个特定地址处继续执行，则可以提供该地址作为参数。另一个办法是使用 rm 命令修改指令指针寄存器，然后只要输入 go。如果您想跳过似乎会引起问题的某个特定指令或一组指令，这就会很有用。但是，请注意，该指令使用不慎会造成严重的问题，系统可能会严重崩溃。
您可以利用一个名为 defcmd 的有用命令来定义自己的命令集。例如，每当遇到断点时，您可能希望能同时检查某个特殊变量、检查某些寄存器的内容并转储堆栈。通常，您必须要输入一系列命 令，以便能同时执行所有这些工作。defcmd 允许您定义自己的命令，该命令可以包含一个或多个预定义的 KDB 命令。然后只需要用一个命令就可以完成所有这三项工作。其语法如下：
[code:1:6ddc15f4ad][0]kdb> defcmd name "usage" "help"
[0]kdb> [defcmd] type the commands here
[0]kdb> [defcmd] endefcmd [/code:1:6ddc15f4ad]
例如，可以定义一个（简单的）新命令 hari，它显示从地址 0xc000000 开始的一行内存、显示寄存器的内容并转储堆栈：
[code:1:6ddc15f4ad][0]kdb> defcmd hari "" "no arguments needed"
[0]kdb> [defcmd] md 0xc000000 1
[0]kdb> [defcmd] rd
[0]kdb> [defcmd] md %ebp 1
[0]kdb> [defcmd] endefcmd [/code:1:6ddc15f4ad]
该命令的输出会是：
[code:1:6ddc15f4ad][0]kdb> hari
[hari]kdb> md 0xc000000 1
0xc000000 00000001 f000e816 f000e2c3 f000e816
[hari]kdb> rd
eax = 0x00000000 ebx = 0xc0105330 ecx = 0xc0466000 edx = 0xc0466000
....
[hari]kdb> md %ebp 1
0xc0467fbc c0467fd0 c01053d2 00000002 000a0200
[0]kdb> [/code:1:6ddc15f4ad]
可以使用 bph 和 bpha 命令（假如体系结构支持使用硬件寄存器）来应用读写断点。这意味着每当从某个特定地址读取数据或将数据写入该地址时，我们都可以对此进行控制。当调试数据 ／内存毁坏问题时这可能会极其方便，在这种情况中您可以用它来识别毁坏的代码／进程。
示例
[code:1:6ddc15f4ad]每当将四个字节写入地址 0xc0204060 时就进入内核调试器：
[0]kdb> bph 0xc0204060 dataw 4
在读取从 0xc000000 开始的至少两个字节的数据时进入内核调试器：
[0]kdb> bph 0xc000000 datar 2[/code:1:6ddc15f4ad]
[size=18:6ddc15f4ad]结束语[/size:6ddc15f4ad]
对于执行内核调试，KDB 是一个方便的且功能强大的工具。它提供了各种选项，并且使我们能够分析内存内容和数据结构。最妙的是，它不需要用另一台机器来执行调试。
C 语言作为 Linux 系统上标准的编程语言给予了我们对动态内存分配很大的控制权。然而，这种自由可能会导致严重的内存管理问题，而这些问题可能导致程序崩溃或随时间的推移导致性能降级。
内存泄漏（即 malloc() 内存在对应的 free() 调用执行后永不被释放）和缓冲区溢出（例如对以前分配到某数组的内存进行写操作）是一些常见的问题，它们可能很难检测到。这一部分将讨论几个调试工具，它们极大地简化了检测和找出内存问题的过程。
MEMWATCH 由 Johan Lindh 编写，是一个开放源代码 C 语言内存错误检测工具，您可以自己下载它（请参阅本文后面部分的参考资料）。只要在代码中添加一个头文件并在 gcc 语句中定义了 MEMWATCH 之后，您就可以跟踪程序中的内存泄漏和错误了。MEMWATCH 支持 ANSI C，它提供结果日志纪录，能检测双重释放（double-free）、错误释放（erroneous free）、没有释放的内存（unfreed memory）、溢出和下溢等等。
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