如何使用cgdb + qemu調試linux內核模塊
前言
Linux 代碼龐大而繁雜，光看代碼會使人頭暈目眩，如果能通過調試工具對其代碼執行流程進行調試，則對學習Linux kernel以及解決平時遇到的問題會大有幫助。本文將講解如何使用cgdb + qemu的方式調試Linux內核代碼，所使用的測試機操作系統版本是CentOS Linux release 7.2.1511 (Core)
1.編譯額內核
1) 獲取內核代碼
內核代碼下載地址：[https://www.kernel.org/] (https://www.kernel.org/)，本文以4.9.153版本作爲演示. 如下圖，點擊對應版本的 tarball 鏈接下載 
下載完成後將tar文件拷貝到測試機/root目錄並進行解壓。
# cd /root
# tar xf linux-4.9.153.tar.xz
2) 編譯出支持調試的內核
配置編譯選項
# cd linux-4.9.153
# make menuconfig
定位到Enable loadable module support:
按空格鍵去掉選項Module signature verification，防止加載模塊時如下報錯： module verification failed: signature and/or required key missing - tainting kernel
定位到Exit按鈕，回到上級菜單。
定位到File systems, 按回車鍵:
選中EXT4 debugging support 和 JBD2 (ext4) debugging support 兩項:
定位到Exit按鈕，回到上級菜單。
定位到Kernel hacking，按回車鍵:
定位到Kernel debugging，按空格鍵選中。
定位到Compile-time checks and compiler options， 按回車鍵。
分別定位到 Compile the kernel with debug info 和 Provide GDB scripts for kernel debugging , 並按空格鍵選中。
保存，退出
開始編譯
make -j 30
-j 30 表示並行編譯的CPU核數
2.構建initramfs根文件系統
這裏藉助Busybox構建極簡initramfs提供基本的用戶態可執行程序.
1) 編譯Busybox
[下載busybox-1.28.0] (https://busybox.net/downloads/busybox-1.28.0.tar.bz2)，並拷貝到測試機/root目錄下解壓。
配置CONFIG_STATIC參數，可編譯出靜態版Busybox, 使Busybox的可執行文件不依賴動態庫，方便構建initramfs
# cd /root/busybox-1.28.0
# make menuconfig
選擇Settings, 按回車。
選擇Build static binary (no shared libs), 按回車。
退出，提示保存，選Yes
開始編譯
# yum install glibc-static -y
# gcc --version
gcc (GCC) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-4)
# make -j 30
# make install
2) 創建initramfs
創建initramfs, 其中包含BusyBox可執行程序，必要的設備文件，啓動腳本init和需要調試的模塊。在init腳本里只掛載了虛擬文件系統procfs和sysfs，沒有掛載磁盤根文件系統，所有調試操作都在內存中進行，不會讀寫磁盤。本例中使用ext4.ko模塊作爲演示，所以需要將ext4.ko及其依賴模塊一起放到initramfs。
# mkdir initramfs
# cd initramfs
# cp ../_install/* -rf ./
# mkdir dev proc sys
# sudo cp -a /dev/{null, console, tty1, tty2, tty3, tty4} dev/
# rm linuxrc
# touch init
# chmod a+x init
# mkdir -p lib/modules/4.9.153/
# cp /root/linux-4.9.153/fs/ext4/ext4.ko lib/modules/4.9.153/
# cp /root/linux-4.9.153/fs/jbd2/jbd2.ko lib/modules/4.9.153/
# cp /root/linux-4.9.153/fs/mbcache.ko lib/modules/4.9.153/
# ls
bin dev init lib proc sbin sys usr
init文件的內容
#!/bin/busybox sh
mount -t proc mone /proc
mount -t sysfs none /sys
mdev -s
exec /sbin/init
打包initramfs:
# find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz
3.啓動虛擬機
# yum install qemu-system-x86-2.0.0
# cd ..
# pwd
/root/busybox-1.28.0
# qemu-system-x86_64 -s -kernel /root/linux-4.9.153/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd initramfs.cpio.gz -nographic -append "console=ttyS0" -m 1G
qemu-system-x86_64 命令用到的參數說明：
-s是-gdb tcp::1234的縮寫，表示監聽1234端口，在gdb中可以通過target remote localhost:1234連接；-kernel指定編譯好的調試版內核；-initrd指定製作好的initramfs；-nographic取消圖形輸出窗口，使QEMU成爲簡單的命令行程序；-append console=ttyS0將輸出重定向到console，將會顯示在標準輸出中stdio, 注：這裏ttyS0中的S大寫;-m 1G設置虛擬機內存大小。
啓動完成後可按回車鍵進入命令行交互界面
...
[ 1.645828] Freeing unused kernel memory: 836K
[ 1.659842] Freeing unused kernel memory: 748K
can't run '/etc/init.d/rcS': No such file or directory
Please press Enter to activate this console. [ 2.144752] tsc: Refined TSC clocksource calibration: 2194.896 MHz
[ 2.145315] clocksource: tsc: mask: 0xffffffffffffffff max_cycles: 0x1fa35d3c521, max_idle_ns: 440795261667 ns
[ 2.377779] input: ImExPS/2 Generic Explorer Mouse as /devices/platform/i8042/serio1/input/input3
[ 3.153834] clocksource: Switched to clocksource tsc
/ # ls
bin dev init proc root sbin sys usr
/ #
4.使用cgdb進行調試
cgdb 是gdb的一個增強版，調試的時候看代碼會美觀許多。我們將在另外的一個窗口登錄測試機，運行cgdb調試內核。
# yum install cgdb -y
# cgdb -v
CGDB 0.6.8
# cd /root/linux-4.9.153
# cgdb vmlinux
在gdb命令行裏輸入target remote :1234進行遠程調試，在函數register_filesystem裏設置斷點後輸入c回車，然後在虛擬機裏運行命令modprobe ext4加載ext4文件系統模塊即可進入函數register_filesystem命中斷點。命中斷點後，我們打印fs->name，發現是ext3，這是因爲在ext4的模塊初始化函數ext4_init_fs裏先調用了register_as_ext3();之後又調用了register_as_ext2(); 和 register_filesystem(&ext4_fs_type);
(gdb) target remote :1234
Remote debugging using :1234
native_safe_halt () at ./arch/x86/include/asm/irqflags.h:57
(gdb) b register_filesystem
Breakpoint 1 at 0xffffffff81257dd0: file fs/filesystems.c, line 70.
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 1, register_filesystem (fs=0xffffffffa00a0ac0) at fs/filesystems.c:70
(gdb) p fs->name
$1 = 0xffffffffa0095cc0 "ext3"
(gdb)
作者：袁鑫【滴滴出行高級軟件開發工程師】