61 | 搭建操作系统实验环境（下）：授人以鱼不如授人以渔

上一节我们做了一个实验，添加了一个系统调用，并且编译了内核。这一节，我们来尝试调试内核。这样，我们就可以一步一步来看，内核的代码逻辑执行到哪一步了，对应的变量值是什么。

了解 gdb

在 Linux 下面，调试程序使用一个叫作 gdb 的工具。通过这个工具，我们可以逐行运行程序。

例如，上一节我们写的 syscall.c 这个程序，我们就可以通过下面的命令编译。

gcc -g syscall.c
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其中，参数 -g 的意思就是在编译好的二进制程序中，加入 debug 所需的信息。

接下来，我们安装一下 gdb。

apt-get install gdb
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然后，我们就可以来调试这个程序了。

~/syscall# gdb ./a.out        
GNU gdb (Ubuntu 8.1-0ubuntu3.1) 8.1.0.20180409-git
......
Reading symbols from ./a.out...done.
(gdb) l
1       #include <stdio.h>
2       #include <stdlib.h>
3       #include <unistd.h>
4       #include <linux/kernel.h>
5       #include <sys/syscall.h>
6       #include <string.h>
7
8       int main ()
9       {
10        char * words = "I am liuchao from user mode.";
(gdb) b 10
Breakpoint 1 at 0x6e2: file syscall.c, line 10.
(gdb) r
Starting program: /root/syscall/a.out 
 
Breakpoint 1, main () at syscall.c:10
10        char * words = "I am liuchao from user mode.";
(gdb) n
12        ret = syscall(333, words, strlen(words)+1);
(gdb) p words
$1 = 0x5555555547c4 "I am liuchao from user mode."
(gdb) s
__strlen_sse2 () at ../sysdeps/x86_64/multiarch/../strlen.S:79
(gdb) bt
#0  __strlen_sse2 () at ../sysdeps/x86_64/multiarch/../strlen.S:79
#1  0x00005555555546f9 in main () at syscall.c:12
(gdb) c
Continuing.
return 63 from kernel mode.
[Inferior 1 (process 1774) exited normally]
(gdb) q
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在上面的例子中，我们只要掌握简单的几个 gdb 的命令就可以了。

• l，即 list，用于显示多行源代码。
• b，即 break，用于设置断点。
• r，即 run，用于开始运行程序。
• n，即 next，用于执行下一条语句。如果该语句为函数调用，则不会进入函数内部执行。
• p，即 print，用于打印内部变量值。
• s，即 step，用于执行下一条语句。如果该语句为函数调用，则进入函数，执行其中的第一条语句。
• c，即 continue，用于继续程序的运行，直到遇到下一个断点。
• bt，即 backtrace，用于产看函数调用信息。
• q，即 quit，用于退出 gdb 环境。

Debug kernel

看了 debug 一个进程还是简单的，接下来，我们来试着 debug 整个 kernel。

第一步，要想 kernel 能够被 debug，需要向上面编译程序一样，将 debug 所需信息也放入二进制文件里面去。这个我们在编译内核的时候已经设置过了，也就是把“CONFIG_DEBUG_INFO”和“CONFIG_FRAME_POINTER“两个变量设置为 yes。

第二步，就是安装 gdb。kernel 运行在 qemu 虚拟机里面，gdb 运行在宿主机上，所以我们应该在宿主机上进行安装。

第三步，找到 gdb 要运行的那个内核的二进制文件。这个文件在哪里呢？根据 grub 里面的配置，它应该在 /boot/vmlinuz-4.15.18 这里。

另外，为了方便在 debug 的过程中查看源代码，我们可以将 /usr/src/linux-source-4.15.0 整个目录，都拷贝到宿主机上来。因为内核一旦进入 debug 模式，就不能运行了。

scp -r popsuper@192.168.57.100:/usr/src/linux-source-4.15.0 ./
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在 /usr/src/linux-source-4.15.0 这个目录下面，vmlinux 文件也是内核的二进制文件。

第四步，修改 qemu 的启动参数和 qemu 里面虚拟机的启动参数，从而使得 gdb 可以远程 attach 到 qemu 里面的内核上。

我们知道，gdb debug 一个进程的时候，gdb 会监控进程的运行，使得进程一行一行地执行二进制文件。如果像 syscall.c 的二进制文件 a.out 一样，就在本地，gdb 可以通过 attach 到这个进程上，作为这个进程的父进程，来监控它的运行。

但是，gdb debug 一个内核的时候，因为内核在 qemu 虚拟机里面，所以我们无法监控本地进程，而要通过 qemu 来监控 qemu 里面的内核，这就要借助 qemu 的机制。

qemu 有个参数 -s，它代表参数 -gdb tcp::1234，意思是 qemu 监听 1234 端口，gdb 可以 attach 到这个端口上来，debug qemu 里面的内核。

为了完成这一点，我们需要修改 ubuntutest 这个虚拟机的定义文件。

virsh edit ubuntutest
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在这里，我们能将虚拟机的定义文件修改成下面的样子，其中主要改了两项：

• 在 domain 的最后加上了 qemu:commandline，里面指定了参数 -s；
• 在 domain 中添加 xmlns:qemu。没有这个 XML 的 namespace，qemu:commandline 这个参数 libvirt 不认。

<domain type='qemu' xmlns:qemu='http://libvirt.org/schemas/domain/qemu/1.0'>
  <name>ubuntutest</name>
  <uuid>0f0806ab-531d-6134-5def-c5b4955292aa</uuid>
  <memory unit='KiB'>8388608</memory>
  <currentMemory unit='KiB'>8388608</currentMemory>
  <vcpu placement='static'>8</vcpu>
  <os>
    <type arch='x86_64' machine='pc-i440fx-trusty'>hvm</type>
    <boot dev='hd'/>
  </os>
  <clock offset='utc'/>
  <on_poweroff>destroy</on_poweroff>
  <on_reboot>restart</on_reboot>
  <on_crash>restart</on_crash>
  <devices>
    <emulator>/usr/bin/qemu-system-x86_64</emulator>
    <disk type='file' device='disk'>
      <driver name='qemu' type='qcow2'/>
      <source file='/mnt/vdc/ubuntutest.img'/>
      <backingStore/>
      <target dev='vda' bus='virtio'/>
      <alias name='virtio-disk0'/>
      <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x00' slot='0x04' function='0x0'/>
    </disk>
......
    <interface type='bridge'>
      <mac address='fa:16:3e:6e:89:ce'/>
      <source bridge='br0'/>
      <target dev='tap1'/>
      <model type='virtio'/>
      <alias name='net0'/>
      <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x00' slot='0x03' function='0x0'/>
    </interface>
......
  </devices>
  <qemu:commandline>
    <qemu:arg value='-s'/>
  </qemu:commandline>
</domain>
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另外，为了远程 debug 成功，我们还需要修改 qemu 里面的虚拟机的 grub 和 menu.list，在内核命令行中添加 nokaslr，来关闭 KASLR。KASLR 会使得内核地址空间布局随机化，从而会造成我们打的断点不起作用。

对于 grub.conf，修改如下：

submenu 'Advanced options for Ubuntu' $menuentry_id_option 'gnulinux-advanced-470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9' {
        menuentry 'Ubuntu, with Linux 4.15.18' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os $menuentry_id_option 'gnulinux-4.15.18-advanced-470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9' {
                recordfail
                load_video
                gfxmode $linux_gfx_mode
                insmod gzio
                if [ x$grub_platform = xxen ]; then insmod xzio; insmod lzopio; fi
                insmod part_gpt
                insmod ext2
                if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
                  search --no-floppy --fs-uuid --set=root  470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9
                else
                  search --no-floppy --fs-uuid --set=root 470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9
                fi
                echo    'Loading Linux 4.15.18 ...'
                linux   /boot/vmlinuz-4.15.18 root=UUID=470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 ro nokaslr console=ttyS0 maybe-ubiquity
                echo    'Loading initial ramdisk ...'
                initrd  /boot/initrd.img-4.15.18
        }
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对于 menu.list，修改如下：

title           Ubuntu 18.04.2 LTS, kernel 4.15.18
root            (hd0)
kernel          /boot/vmlinuz-4.15.18 root=/dev/hda1 ro nokaslr console=hvc0 console=ttyS0
initrd          /boot/initrd.img-4.15.18
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修改完毕后，我们需要在虚拟机里面 shutdown -h now，来关闭虚拟机。注意不要 reboot，因为虚拟机里面运行 reboot，我们改过的那个 XML 会不起作用。

当我们在宿主机上发现虚拟机关机之后，就可以通过 virsh start ubuntutest 启动虚拟机，这个时候我们添加的参数 -s 才起作用。

第五步，使用 gdb 运行内核的二进制文件，执行 gdb vmlinux。

/mnt/vdc/linux-source-4.15.0# gdb vmlinux
GNU gdb (Ubuntu 7.11.1-0ubuntu1~16.5) 7.11.1
......
To enable execution of this file add
        add-auto-load-safe-path /mnt/vdc/linux-source-4.15.0/vmlinux-gdb.py
......
(gdb) b sys_sayhelloworld
Breakpoint 1 at 0xffffffff8109e2f0: file kernel/sys.c, line 192.
(gdb) target remote :1234
Remote debugging using :1234
native_safe_halt () at ./arch/x86/include/asm/irqflags.h:61
61      }
(gdb) c
Continuing.
[Switching to Thread 2]
Thread 2 hit Breakpoint 1, sys_sayhelloworld (words=0x563cbfa907c4 "I am liuchao from user mode.", count=29) at kernel/sys.c:192
192     {
(gdb) bt
#0  sys_sayhelloworld (words=0x55b2811537c4 "I am liuchao from user mode.", count=29) at kernel/sys.c:192
#1  0xffffffff810039f7 in do_syscall_64 (regs=0xffffc9000133bf58) at arch/x86/entry/common.c:290
#2  0xffffffff81a00081 in entry_SYSCALL_64 () at arch/x86/entry/entry_64.S:237
(gdb) n
195             if(count >= 1024){
(gdb) n
198             copy_from_user(buffer, words, count);
(gdb) n
199             ret=printk("User Mode says %s to the Kernel Mode!", buffer);
(gdb) p buffer
$1 = "I am liuchao from user mode.\000\177\000\000\...
(gdb) n
200             return ret;
(gdb) p ret
$2 = 63
(gdb) c
(gdb) n
do_syscall_64 (regs=0xffffc9000133bf58) at arch/x86/entry/common.c:295
295             syscall_return_slowpath(regs);
(gdb) s
syscall_return_slowpath (regs=<optimized out>) at arch/x86/entry/common.c:295
(gdb) n
268             prepare_exit_to_usermode(regs);
(gdb) n
do_syscall_64 (regs=0xffffc9000133bf58) at arch/x86/entry/common.c:296
296     }
(gdb) n
entry_SYSCALL_64 () at arch/x86/entry/entry_64.S:246
246             movq    RCX(%rsp), %rcx
......
(gdb) n
entry_SYSCALL_64 () at arch/x86/entry/entry_64.S:330
330             USERGS_SYSRET64
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我们先设置一个断点在我们自己写的系统调用上 b sys_sayhelloworld，通过执行 target remote :1234，来 attach 到 qemu 上，然后，执行 c，也即 continue 运行内核。这个时候内核始终在 Continuing 的状态，也即持续在运行中，这个时候我们可以远程登录到 qemu 里的虚拟机上，执行各种命令。

如果我们在虚拟机里面运行 syscall.c 编译好的 a.out，这个时候肯定会调用到内核。内核肯定会经过系统调用的过程，到达 sys_sayhelloworld 这个函数，这就碰到了我们设置的那个断点。

如果执行 bt，我们能看到，这个系统调用是从 entry_64.S 里面的 entry_SYSCALL_64 () 函数，调用到 do_syscall_64 函数，再调用到 sys_sayhelloworld 函数的。这一点和我们在系统调用那一节分析的过程是一模一样的。

我们可以通过执行 next 命令，来看 sys_sayhelloworld 一步一步是怎么执行的，通过 p buffer 查看 buffer 里面的内容。在这个过程中，由于内核是逐行运行的，因而我们在虚拟机里面的命令行是卡死的状态。

当我们不断地 next，直到执行完毕 sys_sayhelloworld 的时候，会看到，do_syscall_64 会调用 syscall_return_slowpath。它会调用 prepare_exit_to_usermode，然后会回到 entry_SYSCALL_64，然后对于寄存器进行操作，最后调用指令 USERGS_SYSRET64 回到用户态。这个返回的过程和系统调用那一节也一模一样。

看，通过 debug 我们能够跟踪系统调用的整个过程。你可以将我们这一门课里面学得的所有的过程都 debug 一下，看看变量的值，从而对于内核的工作机制有更加深入的了解。

总结时刻

在这个课程里面，我们写过一些程序，为了保证程序能够顺利运行，我一般会将代码完整地放到文本中，让你拷贝下来就能编译和运行。如果你运行的时候发现有问题，或者想了解一步一步运行的细节，这一节介绍的 gdb 是一个很好的工具。

这一节你尤其应该掌握的是，如何通过宿主机上的 gdb 来 debug 虚拟机里面的内核。这一点非常重要，会了这个，你就能够返回去，挨个研究每一章每一节的内核数据结构和运行逻辑了。

在这门课中，进程管理、内存管理、文件管理、设备管理网络管理，我们都介绍了从系统调用到底层的整个逻辑。如果你对我前面的代码解析还比较困惑，你可以尝试着去 debug 这些过程，只要把断点打在系统调用的入口位置就可以了。

从此，开启你的内核 debug 之旅吧！

课堂练习

这里给你留一道题目，你可以试着 debug 一下文件打开的过程。

欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。