Linux內(nèi)核調(diào)試器內(nèi)幕3

[size=18:ff78191c7b][b] 第 1 種情況：內(nèi)存調(diào)試工具[/b[/size:ff78191c7b]]
C 語言作為 Linux 系統(tǒng)上標(biāo)準(zhǔn)的編程語言給予了我們對動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配很大的控制權(quán)。然而，這種自由可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)存管理問題，而這些問題可能導(dǎo)致程序崩潰或隨時(shí)間的推移導(dǎo)致性能降級(jí)。
內(nèi)存泄漏（即 malloc() 內(nèi)存在對應(yīng)的 free() 調(diào)用執(zhí)行后永不被釋放）和緩沖區(qū)溢出（例如對以前分配到某數(shù)組的內(nèi)存進(jìn)行寫操作）是一些常見的問題，它們可能很難檢測到。這一部分將討論幾個(gè)調(diào)試工具，它們極大地簡化了檢測和找出內(nèi)存問題的過程。
[color=blue:ff78191c7b]MEMWATCH[/color:ff78191c7b]
MEMWATCH 由 Johan Lindh 編寫，是一個(gè)開放源代碼 C 語言內(nèi)存錯(cuò)誤檢測工具，您可以自己下載它（請參閱本文后面部分的參考資料）。只要在代碼中添加一個(gè)頭文件并在 gcc 語句中定義了 MEMWATCH 之后，您就可以跟蹤程序中的內(nèi)存泄漏和錯(cuò)誤了。MEMWATCH 支持 ANSI C，它提供結(jié)果日志紀(jì)錄，能檢測雙重釋放（double-free）、錯(cuò)誤釋放（erroneous free）、沒有釋放的內(nèi)存（unfreed memory）、溢出和下溢等等。
清單 1. 內(nèi)存樣本（test1.c） 

[code:1:ff78191c7b]#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "memwatch.h"

int main(void)
{
char *ptr1;
char *ptr2;

ptr1 = malloc(512);
ptr2 = malloc(512);

ptr2 = ptr1;
free(ptr2);
free(ptr1);
}[/code:1:ff78191c7b]
清單 1 中的代碼將分配兩個(gè) 512 字節(jié)的內(nèi)存塊，然后指向第一個(gè)內(nèi)存塊的指針被設(shè)定為指向第二個(gè)內(nèi)存塊。結(jié)果，第二個(gè)內(nèi)存塊的地址丟失，從而產(chǎn)生了內(nèi)存泄漏。
現(xiàn)在我們編譯清單 1 的 memwatch.c。下面是一個(gè) makefile 示例：
test1 

[code:1:ff78191c7b]gcc -DMEMWATCH -DMW_STDIO test1.c memwatch c -o test1[/code:1:ff78191c7b]
當(dāng)您運(yùn)行 test1 程序后，它會(huì)生成一個(gè)關(guān)于泄漏的內(nèi)存的報(bào)告。清單 2 展示了示例 memwatch.log 輸出文件。
清單 2. test1 memwatch.log 文件 

[code:1:ff78191c7b]MEMWATCH 2.67 Copyright (C) 1992-1999 Johan Lindh

...
double-free: <4> test1.c(15), 0x80517b4 was freed from test1.c(14)
...
unfreed: <2> test1.c(11), 512 bytes at 0x80519e4
{FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE ..............}

Memory usage statistics (global):
N)umber of allocations made: 2
L)argest memory usage : 1024
T)otal of all alloc() calls: 1024
U)nfreed bytes totals : 512[/code:1:ff78191c7b]
MEMWATCH 為您顯示真正導(dǎo)致問題的行。如果您釋放一個(gè)已經(jīng)釋放過的指針，它會(huì)告訴您。對于沒有釋放的內(nèi)存也一樣。日志結(jié)尾部分顯示統(tǒng)計(jì)信息，包括泄漏了多少內(nèi)存，使用了多少內(nèi)存，以及總共分配了多少內(nèi)存。
[color=blue:ff78191c7b]YAMD[/color:ff78191c7b]
YAMD 軟件包由 Nate Eldredge 編寫，可以查找 C 和 C++ 中動(dòng)態(tài)的、與內(nèi)存分配有關(guān)的問題。在撰寫本文時(shí)，YAMD 的最新版本為 0.32。請下載 yamd-0.32.tar.gz（請參閱參考資料）。執(zhí)行 make 命令來構(gòu)建程序；然后執(zhí)行 make install 命令安裝程序并設(shè)置工具。 {{分頁}}
一旦您下載了 YAMD 之后，請?jiān)?nbsp;test1.c 上使用它。請刪除 #include memwatch.h 并對 makefile 進(jìn)行如下小小的修改：
使用 YAMD 的 test1 

gcc -g test1.c -o test1
清單 3 展示了來自 test1 上的 YAMD 的輸出。
清單 3. 使用 YAMD 的 test1 輸出 

[code:1:ff78191c7b]YAMD version 0.32
Executable: /usr/src/test/yamd-0.32/test1
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40025e00, size 512
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40028e00, size 512
...
INFO: Normal deallocation of this block
Address 0x40025e00, size 512
...
ERROR: Multiple freeing At
free of pointer already freed
Address 0x40025e00, size 512
...
WARNING: Memory leak
Address 0x40028e00, size 512
WARNING: Total memory leaks:
1 unfreed allocations totaling 512 bytes

*** Finished at Tue ... 10:07:15 2002
Allocated a grand total of 1024 bytes 2 allocations
Average of 512 bytes per allocation
Max bytes allocated at one time: 1024
24 K alloced internally / 12 K mapped now / 8 K max
Virtual program size is 1416 K
End.[/code:1:ff78191c7b]
YAMD 顯示我們已經(jīng)釋放了內(nèi)存，而且存在內(nèi)存泄漏。讓我們在清單 4 中另一個(gè)樣本程序上試試 YAMD。
清單 4. 內(nèi)存代碼（test2.c） 

[code:1:ff78191c7b]#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
char *ptr1;
char *ptr2;
char *chptr;
int i = 1;
ptr1 = malloc(512);
ptr2 = malloc(512);
chptr = (char *)malloc(512);
for (i; i <= 512; i++) {
chptr[i] = 'S';
}
ptr2 = ptr1;
free(ptr2);
free(ptr1);
free(chptr);
}[/code:1:ff78191c7b]
您可以使用下面的命令來啟動(dòng) YAMD：
[code:1:ff78191c7b]./run-yamd /usr/src/test/test2/test2 [/code:1:ff78191c7b]
清單 5 顯示了在樣本程序 test2 上使用 YAMD 得到的輸出。YAMD 告訴我們在 for 循環(huán)中有“越界（out-of-bounds）”的情況。
清單 5. 使用 YAMD 的 test2 輸出 

[code:1:ff78191c7b]Running /usr/src/test/test2/test2
Temp output to /tmp/yamd-out.1243
*********
./run-yamd: line 101: 1248 Segmentation fault (core dumped)
YAMD version 0.32
Starting run: /usr/src/test/test2/test2
Executable: /usr/src/test/test2/test2
Virtual program size is 1380 K
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40025e00, size 512
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40028e00, size 512
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x4002be00, size 512
ERROR: Crash
...
Tried to write address 0x4002c000
Seems to be part of this block:
Address 0x4002be00, size 512
...
Address in question is at offset 512 (out of bounds)
Will dump core after checking heap.
Done.[/code:1:ff78191c7b]
MEMWATCH 和 YAMD 都是很有用的調(diào)試工具，它們的使用方法有所不同。對于 MEMWATCH，您需要添加包含文件 memwatch.h 并打開兩個(gè)編譯時(shí)間標(biāo)記。對于鏈接（link）語句，YAMD 只需要 -g 選項(xiàng)。 {{分頁}}
[color=blue:ff78191c7b]Electric Fence[/color:ff78191c7b]
多數(shù) Linux 分發(fā)版包含一個(gè) Electric Fence 包，不過您也可以選擇下載它。Electric Fence 是一個(gè)由 Bruce Perens 編寫的 malloc() 調(diào)試庫。它就在您分配內(nèi)存后分配受保護(hù)的內(nèi)存。如果存在 fencepost 錯(cuò)誤（超過數(shù)組末尾運(yùn)行），程序就會(huì)產(chǎn)生保護(hù)錯(cuò)誤，并立即結(jié)束。通過結(jié)合 Electric Fence 和 gdb，您可以精確地跟蹤到哪一行試圖訪問受保護(hù)內(nèi)存。 Electric Fence 的另一個(gè)功能就是能夠檢測內(nèi)存泄漏。

zhchhui 回復(fù)于：2003-09-15 10:49:18
[b:95b8e28830] [size=18:95b8e28830]第 2 種情況：使用 strace[/size:95b8e28830][/b:95b8e28830]
strace 命令是一種強(qiáng)大的工具，它能夠顯示所有由用戶空間程序發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)用。strace 顯示這些調(diào)用的參數(shù)并返回符號(hào)形式的值。 strace 從內(nèi)核接收信息，而且不需要以任何特殊的方式來構(gòu)建內(nèi)核。將跟蹤信息發(fā)送到應(yīng)用程序及內(nèi)核開發(fā)者都很有用。在清單 6 中，分區(qū)的一種格式有錯(cuò)誤，清單顯示了 strace 的開頭部分，內(nèi)容是關(guān)于調(diào)出創(chuàng)建文件系統(tǒng)操作（mkfs）的。strace 確定哪個(gè)調(diào)用導(dǎo)致問題出現(xiàn)。
清單 6. mkfs 上 strace 的開頭部分 

[code:1:95b8e28830]execve("/sbin/mkfs.jfs", ["mkfs.jfs", "-f", "/dev/test1"], &
...
open("/dev/test1", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
stat64("/dev/test1", {st_mode=&, st_rdev=makedev(63, 255), ...}) = 0
ioctl(4, 0x40041271, 0xbfffe128) = -1 EINVAL (Invalid argument)
write(2, "mkfs.jfs: warning - cannot setb" ..., 98mkfs.jfs: warning -
cannot set blocksize on block device /dev/test1: Invalid argument )
= 98
stat64("/dev/test1", {st_mode=&, st_rdev=makedev(63, 255), ...}) = 0
open("/dev/test1", O_RDONLY|O_LARGEFILE) = 5
ioctl(5, 0x80041272, 0xbfffe124) = -1 EINVAL (Invalid argument)
write(2, "mkfs.jfs: can't determine device"..., ..._exit(1)
= ?[/code:1:95b8e28830]
清單 6 顯示 ioctl 調(diào)用導(dǎo)致用來格式化分區(qū)的 mkfs 程序失敗。ioctl BLKGETSIZE64 失敗。（BLKGET- SIZE64 在調(diào)用 ioctl 的源代碼中定義。) BLKGETSIZE64 ioctl 將被添加到 Linux 中所有的設(shè)備，而在這里，邏輯卷管理器還不支持它。因此，如果 BLKGETSIZE64 ioctl 調(diào)用失敗，mkfs 代碼將改為調(diào)用較早的 ioctl 調(diào)用；這使得 mkfs 適用于邏輯卷管理器。

zhchhui 回復(fù)于：2003-09-15 10:57:11
[b:627becdd94][size=18:627becdd94] 第 3 種情況：使用 gdb 和 Oops[/size:627becdd94][/b:627becdd94]
您可以從命令行使用 gdb 程序（Free Software Foundation 的調(diào)試器）來找出錯(cuò)誤，也可以從諸如 Data Display Debugger（DDD）這樣的幾個(gè)圖形工具之一使用 gdb 程序來找出錯(cuò)誤。您可以使用 gdb 來調(diào)試用戶空間程序或 Linux 內(nèi)核。這一部分只討論從命令行運(yùn)行 gdb 的情況。
使用 gdb program name 命令啟動(dòng) gdb。gdb 將載入可執(zhí)行程序符號(hào)并顯示輸入提示符，讓您可以開始使用調(diào)試器。您可以通過三種方式用 gdb 查看進(jìn)程：
?使用 attach 命令開始查看一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行的進(jìn)程；attach 將停止進(jìn)程。
?使用 run 命令執(zhí)行程序并從頭開始調(diào)試程序。
?查看已有的核心文件來確定進(jìn)程終止時(shí)的狀態(tài)。要查看核心文件，請用下面的命令啟動(dòng) gdb。 
gdb programname corefilename 
要用核心文件進(jìn)行調(diào)試，您不僅需要程序的可執(zhí)行文件和源文件，還需要核心文件本身。要用核心文件啟動(dòng) gdb，請使用 -c 選項(xiàng)： 
gdb -c core programname 
gdb 顯示哪行代碼導(dǎo)致程序發(fā)生核心轉(zhuǎn)儲(chǔ)。
在運(yùn)行程序或連接到已經(jīng)運(yùn)行的程序之前，請列出您覺得有錯(cuò)誤的源代碼，設(shè)置斷點(diǎn)，然后開始調(diào)試程序。您可以使用 help 命令查看全面的 gdb 在線幫助和詳細(xì)的教程。
[color=blue:627becdd94]kgdb[/color:627becdd94]
kgdb 程序（使用 gdb 的遠(yuǎn)程主機(jī) Linux 內(nèi)核調(diào)試器）提供了一種使用 gdb 調(diào)試 Linux 內(nèi)核的機(jī)制。kgdb 程序是內(nèi)核的擴(kuò)展，它讓您能夠在遠(yuǎn)程主機(jī)上運(yùn)行 gdb 時(shí)連接到運(yùn)行用 kgdb 擴(kuò)展的內(nèi)核機(jī)器。您可以接著深入到內(nèi)核中、設(shè)置斷點(diǎn)、檢查數(shù)據(jù)并進(jìn)行其它操作（類似于您在應(yīng)用程序上使用 gdb 的方式）。這個(gè)補(bǔ)丁的主要特點(diǎn)之一就是運(yùn)行 gdb 的主機(jī)在引導(dǎo)過程中連接到目標(biāo)機(jī)器（運(yùn)行要被調(diào)試的內(nèi)核）。這讓您能夠盡早開始調(diào)試。請注意，補(bǔ)丁為 Linux 內(nèi)核添加了功能，所以 gdb 可以用來調(diào)試 Linux 內(nèi)核。
使用 kgdb 需要兩臺(tái)機(jī)器：一臺(tái)是開發(fā)機(jī)器，另一臺(tái)是測試機(jī)器。一條串行線（空調(diào)制解調(diào)器電纜）將通過機(jī)器的串口連接它們。您希望調(diào)試的內(nèi)核在測試機(jī)器上運(yùn)行；gdb 在開發(fā)機(jī)器上運(yùn)行。gdb 使用串行線與您要調(diào)試的內(nèi)核通信。