[linux] デバッグツールの紹介

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序文

Linux カーネルのデバッグ中に、問題を診断して解決するためにさまざまなツールやテクニックを使用できます。一般的に使用される Linux カーネルのデバッグ方法の一部を次に示します。

1. printk: printk は Linux カーネルの印刷関数で、コードに print ステートメントを挿入してデバッグ情報を出力できます。これらのメッセージはカーネル ログ バッファに送信され、dmesg コマンドまたは /var/log/messages ファイルを使用して表示できます。

2. kdb: kdb は、実行時にカーネルをデバッグできる Linux カーネル用のデバッガーです。カーネルの状態、レジスタ値、スタック トレースなどの情報を表示および変更するためのコマンド ライン インターフェイスが提供されます。

3. kgdb: kgdb はカーネル レベルのソース コード デバッガーで、シリアル ポートまたはネットワーク接続を通じてターゲット マシンをデバッグ ホストに接続できます。kgdb を使用すると、ターゲット マシンでのブレークポイントの設定、シングルステップ実行、変数値の表示などを行うことができます。

4. ftrace: ftrace は Linux カーネルのトレース ツールで、カーネル関数の呼び出し関係と実行時間を分析するために使用できます。さまざまなトレース イベントを構成および有効にすることで、カーネル実行情報をキャプチャし、それをカーネル ログ バッファに出力できます。

5. SystemTap: SystemTap は、実行時にプローブを挿入することでカーネルとアプリケーションの動作を監視および分析できる動的トレース ツールです。スクリプトのような言語を使用して追跡スクリプトを記述し、追跡データを分析するための豊富な API とツールのセットを提供します。

6. GDB: GDB は、カーネル モジュールとアプリケーションのデバッグに使用できる汎用ソースレベル デバッガーです。カーネルとデバッグ シンボル テーブルをクロスコンパイルすることにより、開発ホスト上の GDB を使用して、デバッグのためにターゲット マシン上のカーネルに接続できます。

これらは Linux カーネルのデバッグ方法として一般的に使用されており、各方法には独自の特徴と適用可能なシナリオがあります。特定の問題とニーズに応じて、カーネルのデバッグに適切なデバッグ方法を選択します。同時に、複数のデバッグ ツールと手法を組み合わせて、より包括的なデバッグ情報とより効率的な問題解決を取得できます。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

1.kdb

kdb (カーネル デバッガー) は、開発者が実行時にカーネルをデバッグできるようにする Linux カーネル用のデバッガーです。kdb は、カーネルと対話し、カーネルの状態、レジスタ値、スタック トレースなどを表示および変更するためのコマンド ライン インターフェイスを提供します。kdb についての詳細は次のとおりです。

1. 機能と特徴:

   • コマンド ライン インターフェイス: kdb は、ユーザーがコマンドを入力してカーネルと対話できる、コマンド ラインに似たインターフェイスを提供します。
   • リアルタイム デバッグ: kdb はカーネルの実行中にデバッグできるため、カーネルに問題がある場合にユーザーはリアルタイムのトラブルシューティングを実行できます。
   • スタック トレース: kdb は、ユーザーが問題の原因を特定するのに役立つように、現在の関数呼び出しスタックを表示できます。
   • レジスタの表示と変更: kdb を使用すると、ユーザーはコードの分析とデバッグのためにカーネル内のレジスタ値を表示および変更できます。
   • ブレークポイント設定: kdb は、さらなるデバッグのために特定の場所で実行を停止するカーネル コード内でのブレークポイントの設定をサポートしています。
   • 動的メモリ割り当ての追跡: kdb は動的メモリ割り当てを追跡し、カーネル内の操作を解放できるため、ユーザーがメモリ リークやその他のメモリ関連の問題を検出できるようになります。

2. 手順：

   • kdb を有効にする: Linux カーネル構成では、kdb デバッグ サポートを含めるようにカーネルをコンパイルするには、CONFIG_KDB オプションを有効にする必要があります。コンパイル後、カーネルブートパラメータに「debug」を追加することで kdb を有効にできます。
   • kdb を入力する: kdb を入力するには、コンソールで「Ctrl+Alt+SysRq+g」キーの組み合わせを押すか、デバッグ シリアル ポート経由で接続します。
   • kdb コマンド: kdb を入力すると、さまざまなコマンドを使用してカーネルの状態を表示および変更できます。たとえば、「bt」コマンドは現在の関数呼び出しスタックを表示するために使用され、「regs」コマンドはレジスタ値を表示するために使用され、「bp」コマンドはブレークポイントを設定するために使用されます。

3. 予防：

   • kdb は強力なデバッグ ツールですが、使用には注意が必要です。操作を誤ると、システムのクラッシュやデータの破損が発生する可能性があります。
   • Kdb は通常、カーネルの開発とデバッグに使用されますが、一般ユーザーがカーネルのデバッグに kdb を使用するには、特定の専門的な知識と経験が必要になる場合があります。
   • 運用環境では、追加のオーバーヘッドとセキュリティ リスクが発生するため、通常、kdb は有効になりません。

つまり、kdb は Linux カーネルのデバッガーであり、実行時にカーネルをデバッグする方法を提供します。開発者がカーネル内の問題を特定して解決し、デバッグ効率とコード品質を向上させるのに役立ちます。ただし、kdb の使用には注意が必要であり、通常は開発環境およびデバッグ環境で使用されます。

以下は、Linux カーネルでのデバッグに kdb を使用する方法を示す簡単なサンプル コードです。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

static int __init my_module_init(void)
{
    
    
    printk(KERN_INFO "My module is being loaded.\n");

    // 在这里插入一个断点
    kdb_trap();

    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void)
{
    
    
    printk(KERN_INFO "My module is being unloaded.\n");
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple example of using kdb for kernel debugging");

上記のサンプル コードでは、単純なカーネル モジュールを定義しました。module の初期化関数では、デバッグ メッセージを出力する関数をmy_module_init使用し、コードに関数を挿入してブレークポイントを設定しました。このようにして、モジュールがロードされ、コードの実行がブレークポイントに到達すると、kdb がトリガーされ、kdb デバッグ環境に入ります。printkkdb_trap()

このモジュールをコンパイルしてロードするには、適切に構成およびコンパイルされたカーネルと、カーネル モジュール開発の基本的な知識が必要であることに注意してください。この例はデモンストレーションのみを目的としており、実際のカーネルのデバッグには、より複雑なコードとデバッグ シナリオが含まれる場合があります。

システムへの悪影響を避けるために、実際の使用ではカーネルの適切なデバッグ方法とセキュリティ対策が確実に実行されるようにしてください。

2、ftrace

ftrace は、Linux カーネルの強力なトレース ツールであり、カーネルの実行パスとパフォーマンスのボトルネックを分析およびデバッグするために使用できます。ftrace は、カーネルにトレース ポイントを挿入し、関連するトレース データを記録できる軽量のトレース フレームワークを提供します。ftrace の詳細を次に示します。

1. 機能と特徴:

   • 動的トレース: ftrace を使用すると、カーネル内の特定の関数、イベント、またはコード パスをトレースするために、実行時にトレースポイントを動的に挿入および削除できます。
   • 関数トレース: ftrace は、関数の入り口と出口を含むカーネル内の関数呼び出しパスをトレースして、コードの実行フローの分析に役立ちます。
   • イベント追跡: ftrace は、割り込み、コンテキスト スイッチ、タイマー トリガーなど、カーネル内のさまざまなイベントを追跡して、システムの動作やパフォーマンスの分析に役立てることができます。
   • パフォーマンス分析: ftrace は、関数の実行時間や呼び出し時間などのパフォーマンス指標を記録して、パフォーマンスのボトルネックを特定し、コードを最適化するのに役立ちます。
   • 視覚化ツール: ftrace は、トレース データを視覚化および分析するための、trace-cmd や KernelShark などのいくつかの視覚化ツールを提供します。

2. 手順：

   • ftrace を有効にする: Linux カーネル構成では、ftrace 関数サポートを組み込むようにカーネルをコンパイルするには、CONFIG_FUNCTION_TRACER および CONFIG_DYNAMIC_FTRACE オプションを有効にする必要があります。
   • トレース ポイントの設定: ftrace が提供するインターフェイスを使用して、カーネルにトレース ポイントを挿入できます。たとえば、tracepoint_probe_register関数を使用してトレースポイントを登録したり、関数の開始と終了をfunction_graph_enterとfunction_graph_exitマクロでマークしたりできます。
   • トレース データの実行と収集: カーネルの実行中に、ftrace はトレース データを収集し、tracefs ファイル システム内の対応するファイルに保存します。trace-cmdトレース データは、コマンド ライン ツールまたは KernelShark 視覚化ツールを使用して収集および分析できます。

3. 予防：

   • ftrace は強力なツールですが、使用には注意が必要です。トレースするイベントや関数が多すぎると、パフォーマンスのオーバーヘッドが発生し、システムの安定性に影響を与える可能性があります。
   • 運用環境では、追加のオーバーヘッドが発生するため、通常、ftrace はデフォルトで無効になっています。したがって、ftrace を使用したカーネルのデバッグは、通常、開発およびデバッグ環境で実行されます。

つまり、ftrace は Linux カーネルの強力なトレース ツールであり、カーネルの実行パスとパフォーマンスのボトルネックを分析およびデバッグするために使用できます。これは、追跡ポイントを動的に挿入および削除し、関連する追跡データを記録するために使用できる軽量の追跡フレームワークを提供します。ftrace を使用すると、開発者はカーネルの動作とパフォーマンスを把握し、コードを最適化することができます。

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3、gdb

GDB (GNU デバッガー) を使用したデバッグは、C および C++ プログラムのデバッグに使用される一般的な方法です。GDB を使用してデバッグするための一般的な手順は次のとおりです。

1. デバッグ可能になるようにプログラムをコンパイルします。プログラムをコンパイルするときは、必ずデバッグ情報オプションを使用してください。たとえば、GCC コンパイラでは、-gオプションを使用してデバッグ情報を生成できます。例えば：gcc -g -o my_program my_program.c

2. GDB を開始します。コマンド ラインにコマンドを入力し、gdbその後に実行可能ファイルへのパスを入力します。例えば：gdb my_program

3. ブレークポイントの設定:breakコマンドを使用してプログラムにブレークポイントを設定します。ブレークポイントは、関数名、行番号、またはアドレスに設定できます。例: break main、、、break 15break *0x4005f6

4. プログラムを実行する:runコマンドを使用してプログラムを実行します。コマンドライン引数は実行時に渡すことができます。例えば：run arg1 arg2

5. プログラムを実行します。プログラムはブレークポイントで停止します。コマンドを使用してnextプログラムを 1 行ずつ実行します。stepコマンドを使用して関数内にステップインすることができます。例: next、step

6. 変数の表示:printコマンドを使用して変数の値を表示します。ローカル変数、グローバル変数、式などを出力できます。例: print variable、、、print array[2]print expression

7. 変数の変更:setコマンドを使用して変数の値を変更します。例えば：set variable = value

8. 実行の継続:continueこのコマンドを使用して、次のブレークポイントまたはプログラムの終了までプログラムの実行を継続します。

9. スタックの表示:backtraceコマンドを使用して、関数呼び出しスタックを表示します。frameコマンドを使用して、特定のスタック フレームに切り替えることができます。

10. GDB の終了:quitコマンドを使用して GDB を終了します。

これは GDB の基本的な使用方法にすぎません。GDB には、より深いデバッグと分析のための豊富な関数とコマンドが用意されています。コマンドを使用するhelpと、GDB でさらに多くのコマンド ヘルプとドキュメントを取得できます。

GDB は強力なツールであるため、使用には注意が必要であることに注意してください。デバッグ プロセス中は、プログラムの実行に対する予期しない影響を避けるようにしてください。

さて、分析の例として Linux カーネルのコードを取り上げてみましょう。

という名前のドライバー ファイルがあるとしますmy_driver.c。これは、単純なキャラクター デバイス ドライバーです。GDB を使用してこのドライバーをデバッグしたいと考えています。

まず、デバッグ情報オプションを使用してドライバーをコンパイルしたことを確認してください。たとえば、次のコマンドを使用してドライバーをコンパイルします。

gcc -g -o my_driver my_driver.c

次に、GDB を起動してドライバーをロードします。

gdb my_driver

次に、ブレークポイントを設定します。my_driver_open関数にブレークポイントを設定するとします。次のコマンドが使用できます。

break my_driver_open

次に、プログラムを実行します。

run

プログラムはmy_driver_open関数で停止します。これで、GDB のさまざまなコマンドをデバッグに使用できるようになりました。

たとえば、next次のコマンドを使用してプログラムを 1 行ずつ実行するには、次のコマンドを使用します。

next

print変数の値を表示するには、このコマンドを使用します。dev変数の値を表示したいとします。

print dev

コマンドを使用してstep関数を入力します。

step

continue次のブレークポイントまたはプログラムの終了までプログラムの実行を継続するには、次のコマンドを使用します。

continue

次のコマンドを使用してbacktrace、関数呼び出しスタックを表示します。

backtrace

quit次のコマンドを使用してGDB を終了します。

quit

これらは GDB の基本的なコマンドの例の一部にすぎません。必要に応じて、他のコマンドや関数を使用してより詳細なデバッグや分析を行うことができます。

Linux カーネルは複雑なコード ベースであり、カーネル コードのデバッグには特別な環境とスキルが必要であることに注意してください。通常、kdb などのカーネル デバッガーや ftrace などのトレース ツールを使用して Linux カーネルをデバッグおよび分析することをお勧めします。