Linux内核调试的方式以及工具学习

末蓝、 2023-01-16 13:25 228阅读 0赞

内核的调试, 其本质是内核空间与用户空间的数据交换, 内核开发者们提供了多样的形式来完成这一功能；

**1 内核调试工具**

工具和描述  
debugfs等文件系统  
    提供了 procfs, sysfs, debugfs以及 relayfs 来与用户空间进行数据交互, 尤其是 debugfs, 这是内核开发者们实现的专门用来调试的文件系统接口. 其他的工具或者接口, 多数都依赖于 debugfs.

printk  
    强大的输出系统, 没有什么逻辑上的bug是用PRINT解决不了的

ftrace以及其前端工具trace-cmd等  
    内核提供了 ftrace 工具来实现检查点, 事件等的检测, 这一框架依赖于 debugfs, 他在 debugfs 中的 tracing 子系统中为用户提供了丰富的操作接口, 我们可以通过该系统对内核实现检测和分析. 功能虽然强大, 但是其操作并不是很简单, 因此使用者们为实现了 trace-cmd 等前端工具, 简化了 ftrace 的使用.

kprobe以及更强大的systemtap  
    内核中实现的 krpobe 通过类似与代码劫持一样的技巧, 在内核的代码或者函数执行前后, 强制加上某些调试信息, 可以很巧妙的完成调试工作, 这是一项先进的调试技术, 但是仍然有觉得它不够好, 劫持代码需要用驱动的方式编译并加载, 能不能通过脚本的方式自动生成劫持代码并自动加载和收集数据, 于是systemtap 出现了. 通过 systemtap 用户只需要编写脚本, 就可以完成调试并动态分析内核

kgdb && kgtp  
    KGDB 是大名鼎鼎的内核调试工具, KGTP则通过驱动的方式强化了 gdb的功能, 诸如tracepoint, 打印内核变量等.

perf  
    erf Event是一款随 inux内核代码一同发布和维护的性能诊断工具, 核社区维护和发展. Perf 不仅可以用于应用程序的性能统计分析, 也可以应用于内核代码的性能统计和分析. 得益于其优秀的体系结构设计, 越来越多的新功能被加入 Perf, 使其已经成为一个多功能的性能统计工具集  
LTTng    LTTng 是一个 Linux 平台开源的跟踪工具, 是一套软件组件, 可允许跟踪 Linux 内核和用户程序, 并控制跟踪会话(开始/停止跟踪、启动/停止事件 等等).

**2 用户空间与内核空间数据交换的文件系统**

内核中有三个常用的伪文件系统: procfs, debugfs和sysfs.

文件系统    描述  
procfs    The proc filesystem is a pseudo-filesystem which provides an interface to kernel data structures.  
sysfs    The filesystem for exporting kernel objects.  
debugfs    Debugfs exists as a simple way for kernel developers to make information available to user space.  
relayfs    A significantly streamlined version of relayfs was recently accepted into the -mm kernel tree.

它们都用于Linux内核和用户空间的数据交换, 但是适用的场景有所差异：

procfs 历史最早, 最初就是用来跟内核交互的唯一方式, 用来获取处理器、内存、设备驱动、进程等各种信息.

sysfs 跟 kobject 框架紧密联系, 而 kobject 是为设备驱动模型而存在的, 所以 sysfs 是为设备驱动服务的.

debugfs 从名字来看就是为 debug 而生, 所以更加灵活.

relayfs 是一个快速的转发 (relay) 数据的文件系统, 它以其功能而得名. 它为那些需要从内核空间转发大量数据到用户空间的工具和应用提供了快速有效的转发机制.