内核调试 --环境搭建篇

Last updated on 2 months ago

在看ceph 源码的时候，一般都是搭建一个环境，然后gbd 到指定函数，边调试边分析，这样很方便，效率也高，前段时间突然想到，系统调用能不能调试呢？比如调用个 write 函数，写数据到一个文件，这背后发生了什么？又比如我们使用 socket 通信，然后收数据，这过程我们能不能用gdb 追踪呢？带着这些问题，在网上摸索一大圈，于是记录下

准备工作 && 预备知识

操作系统也是个程序，同理也可以 gdb，但是内核编译后，在物理机跑有点麻烦，于是这里用 qemu 来模拟硬件，软件模拟硬件，方便调试。

[!NOTE] qemu
qmeu：是一个托管的虚拟机镜像，它通过动态的二进制转换，模拟 CPU，并且提供一组设备模型，使它能够运行多种未修改的客户机 OS，可以通过与 KVM（kernel-based virtual machine 开源加速器）一起使用进而接近本地速度运行虚拟机（接近真实电脑的速度）

qmeu能跑内核，但也是裸跑内核，实际上内核需要挂载到根⽂件系统，内核会将其挂载到根⽬录/下，然后运⾏根⽂件系统中init脚本执⾏⼀些启动任务，为了简便，直接使用busybox 搭建一个轻量级的文件系统，busybox 功能强大，这里就先拿来使用，后面有时间再研究下

需要用的软件包

1	`sudo apt install build-essential qemu libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev axel -y`

编译工作

下载内核源码 && busbox 源码（以下操作都在 /home 目录执行）

1 2	`wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2`

编译linux 内核源码

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cd linux-5.4.34
make defconfig  #默认配置基于'x86_64_defconfig'
make menuconfig # 这里会弹出配置界面

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

#关闭KASLR，否则会导致打断点失败
Processor type and features ---->
    [] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

开始编译

1	`make -j$(nproc) #编译内核，需要几分钟的时间 ,$(nproc) 核心数`

验证下是否能执行

#进入源码目录
hrp@ubuntu:~$ cd linux-5.4.34/

hrp@ubuntu:~/linux-5.4.34$ pwd
/home/hrp/linux-5.4.34

# 使用 qemu执行 此时会弹出个黑框（PS:我是 ubuntu  ）
hrp@ubuntu:~/linux-5.4.34$ qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage 
qemu-system-x86_64: warning: TCG doesn't support requested feature: CPUID.01H:ECX.vmx [bit 5]

编译busybox

cd busybox-1.31.1
make menuconfig #进入配置项
选择 编译成静态链接
Settings --->
    [*] Build static binary (no shared libs)
make -j$(nproc) && make install

制作文件系统

创建一个镜像（相当于创建一个盘）

1	`dd if=/dev/zero of=./busybox.img bs=1M count=300`

格式盘，这里试用 ext3
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mkfs.ext3 busybox.img

要往镜像里面添加文件，为了方便，直接将镜像挂载到 /mnt 下

sudo mkdir /mnt/disk
sudo mount -o loop busybox.img /mnt/disk
#将文件系统必要的文件 拷贝到挂载目录
sudo cp -rf busybox源码目录/_install/* /mnt/disk

创建必要的文件目录

1 2	`cd /mnt/disk/ sudo mkdir dev sys proc etc lib mnt`

创建设备点

cd dev/
mknod console c 5 1
mknod  null        c 1 3
mknod  tty2         c 4  2

busybox默认的设置文件,内核启动后会执行 rcS 脚本，这个脚本我们可以挂载目录，和配置网络
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sudo cp -a /dir/to/busybox-1.17.0/examples/bootfloppy/etc/* /mnt/disk/etc sudo vi /mnt/disk/etc/init.d/rcS


#! /bin/sh
MAC=08:90:90:59:62:21
IP=192.168.100.2
Mask=255.255.255.0
Gateway=192.168.100.1
/sbin/ifconfig lo 127.0.0.1
ifconfig eth0 down
ifconfig eth0 hw ether $MAC
ifconfig eth0 $IP netmask $Mask up
route add default gw $Gateway
/bin/mount -a
/bin/mount -t  sysfs sysfs /sys
/bin/mount -t tmpfs tmpfs /dev
/sbin/mdev -s
mount -o remount,rw,noatime -n /dev/root /

修改fstab 文件

$ vim etc/fstab
proc		/proc	proc	defaults           0	     0
tmpfs   /tmp    tmpfs   defaults        0       0
sysfs   /sys    sysfs   defaults         0       0
tmpfs   /dev    tmpfs   defaults        0       0
var     /dev    tmpfs   defaults        0       0

接触挂载
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sudo umount /mnt/disk

启动内核，进入 bash交互



qemu-system-x86_64 -m 512 -kernel /home/hrp/linux-5.4.34/arch/x86_64/boot/bzImage -append "root=/dev/sda rw console=ttyS0 " -nographic   -boot c -hda /home/hrp/busybox.img -k en-us  -net nic -net tap,ifname=tap0,script=no 


#-----------


WARNING: Image format was not specified for '/home/hrp/busybox.img' and probing guessed raw.
         Automatically detecting the format is dangerous for raw images, write operations on block 0 will be restricted.
         Specify the 'raw' format explicitly to remove the restrictions.
qemu-system-x86_64: warning: TCG doesn't support requested feature: CPUID.01H:ECX.vmx [bit 5]
[    0.000000] Linux version 5.4.34 (hrp@ubuntu) (gcc version 7.5.0 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04)) #3 SMP Fri Jan 26 22:22:23 PST 2024
[    0.000000] Command line: root=/dev/sda rw console=ttyS0 
[    0.000000] x86/fpu: x87 FPU will use FXSAVE
[    0.000000] BIOS-provided physical RAM map:
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000000000-0x000000000009fbff] usable
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000000009fc00-0x000000000009ffff] reserved
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000000f0000-0x00000000000fffff] reserved
....
mount: mounting tmpfs on /tmp failed: No such file or directory
mount: mounting sysfs on /sys failed: Device or resource busy
[    2.702166] EXT4-fs (sda): re-mounted. Opts: (null)
[    2.702386] ext3 filesystem being remounted at / supports timestamps until 2038 (0x7fffffff)
[    2.703963] rcS (94) used greatest stack depth: 13424 bytes left

Processing /etc/profile... Done

/ #

调试

参数加入 -S -s ,默认端口 1234

 qemu-system-x86_64 -m 512 -kernel /home/hrp/linux-5.4.34/arch/x86_64/boot/bzImage -append "root=/dev/sda rw console=ttyS0 " -nographic   -boot c -hda /home/hrp/busybox.img -k en-us  -net nic -net tap,ifname=tap0,script=no -S -s

WARNING: Image format was not specified for '/home/hrp/busybox.img' and probing guessed raw.
         Automatically detecting the format is dangerous for raw images, write operations on block 0 will be restricted.
         Specify the 'raw' format explicitly to remove the restrictions.
qemu-system-x86_64: warning: TCG doesn't support requested feature: CPUID.01H:ECX.vmx [bit 5]

## 等待调试

新建窗口开始gdb

root@ubuntu:/mnt/disk# gdb /home/hrp/linux-5.4.34/vmlinux
GNU gdb (Ubuntu 8.1.1-0ubuntu1) 8.1.1
Copyright (C) 2018 Free Software Foundation, Inc.
....
line to your configuration file "/root/.gdbinit".
For more information about this security protection see the
"Auto-loading safe path" section in the GDB manual.  E.g., run from the shell:
	info "(gdb)Auto-loading safe path"
(gdb) 
(gdb) target remote:1234
Remote debugging using :1234
0x000000000000fff0 in entry_stack_storage ()
(gdb) c              #键入c ，内核开始执行
Continuing.

qemu 相关参数
-kernel ./bzImage：指定启用的内核镜像；

-initrd ./rootfs.img：指定启动的内存文件系统；

-append "nokaslr console=ttyS0"：附加参数，其中 参数必须添加进来，防止内核起始地址随机化，这样会导致 gdb 断点不能命中；参数说明可以参见这里。nokaslr

-s：监听在 gdb 1234 端口;

-S：表示启动后就挂起，等待 gdb 连接;

-nographic：不启动图形界面，调试信息输出到终端与参数 组合使用；console=ttyS0

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