Linux內核調試器內幕3
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C 語言作為 Linux 系統(tǒng)上標準的編程語言給予了我們對動態(tài)內存分配很大的控制權。然而，這種自由可能會導致嚴重的內存管理問題，而這些問題可能導致程序崩潰或隨時間的推移導致性能降級。
內存泄漏（即 malloc() 內存在對應的 free() 調用執(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)組的內存進行寫操作）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調試工具，它們極大地簡化了檢測和找出內存問題的過程。
[color=blue:ff78191c7b]MEMWATCH[/color:ff78191c7b]
MEMWATCH 由 Johan Lindh 編寫，是一個開放源代碼 C 語言內存錯誤檢測工具，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存泄漏和錯誤了。MEMWATCH 支持 ANSI C，它提供結果日志紀錄，能檢測雙重釋放（double-free）、錯誤釋放（erroneous free）、沒有釋放的內存（unfreed memory）、溢出和下溢等等。
清單 1. 內存樣本（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 512 字節(jié)的內存塊，然后指向第一個內存塊的指針被設定為指向第二個內存塊。結果，第二個內存塊的地址丟失，從而產生了內存泄漏。
現(xiàn)在我們編譯清單 1 的 memwatch.c。下面是一個 makefile 示例：
test1
[code:1:ff78191c7b]gcc -DMEMWATCH -DMW_STDIO test1.c memwatch c -o test1[/code:1:ff78191c7b]
當您運行 test1 程序后，它會生成一個關于泄漏的內存的報告。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 為您顯示真正導致問題的行。如果您釋放一個已經釋放過的指針，它會告訴您。對于沒有釋放的內存也一樣。日志結尾部分顯示統(tǒng)計信息，包括泄漏了多少內存，使用了多少內存，以及總共分配了多少內存。
[color=blue:ff78191c7b]YAMD[/color:ff78191c7b]
YAMD 軟件包由 Nate Eldredge 編寫，可以查找 C 和 C++ 中動態(tài)的、與內存分配有關的問題。在撰寫本文時，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 命令來構建程序；然后執(zhí)行 make install 命令安裝程序并設置工具。 {{分頁}}
一旦您下載了 YAMD 之后，請在 test1.c 上使用它。請刪除 #include memwatch.h 并對 makefile 進行如下小小的修改：
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 顯示我們已經釋放了內存，而且存在內存泄漏。讓我們在清單 4 中另一個樣本程序上試試 YAMD。
清單 4. 內存代碼（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 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 并打開兩個編譯時間標記。對于鏈接（link）語句，YAMD 只需要 -g 選項。 {{分頁}}
[color=blue:ff78191c7b]Electric Fence[/color:ff78191c7b]
多數(shù) Linux 分發(fā)版包含一個 Electric Fence 包，不過您也可以選擇下載它。Electric Fence 是一個由 Bruce Perens 編寫的 malloc() 調試庫。它就在您分配內存后分配受保護的內存。如果存在 fencepost 錯誤（超過數(shù)組末尾運行），程序就會產生保護錯誤，并立即結束。通過結合 Electric Fence 和 gdb，您可以精確地跟蹤到哪一行試圖訪問受保護內存。 Electric Fence 的另一個功能就是能夠檢測內存泄漏。
zhchhui 回復于：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)調用。strace 顯示這些調用的參數(shù)并返回符號形式的值。 strace 從內核接收信息，而且不需要以任何特殊的方式來構建內核。將跟蹤信息發(fā)送到應用程序及內核開發(fā)者都很有用。在清單 6 中，分區(qū)的一種格式有錯誤，清單顯示了 strace 的開頭部分，內容是關于調出創(chuàng)建文件系統(tǒng)操作（mkfs）的。strace 確定哪個調用導致問題出現(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 調用導致用來格式化分區(qū)的 mkfs 程序失敗。ioctl BLKGETSIZE64 失敗。（BLKGET- SIZE64 在調用 ioctl 的源代碼中定義。) BLKGETSIZE64 ioctl 將被添加到 Linux 中所有的設備，而在這里，邏輯卷管理器還不支持它。因此，如果 BLKGETSIZE64 ioctl 調用失敗，mkfs 代碼將改為調用較早的 ioctl 調用；這使得 mkfs 適用于邏輯卷管理器。
zhchhui 回復于：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 的調試器）來找出錯誤，也可以從諸如 Data Display Debugger（DDD）這樣的幾個圖形工具之一使用 gdb 程序來找出錯誤。您可以使用 gdb 來調試用戶空間程序或 Linux 內核。這一部分只討論從命令行運行 gdb 的情況。
使用 gdb program name 命令啟動 gdb。gdb 將載入可執(zhí)行程序符號并顯示輸入提示符，讓您可以開始使用調試器。您可以通過三種方式用 gdb 查看進程：
?使用 attach 命令開始查看一個已經運行的進程；attach 將停止進程。
?使用 run 命令執(zhí)行程序并從頭開始調試程序。
?查看已有的核心文件來確定進程終止時的狀態(tài)。要查看核心文件，請用下面的命令啟動 gdb。
gdb programname corefilename
要用核心文件進行調試，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 gdb，請使用 -c 選項：
gdb -c core programname
gdb 顯示哪行代碼導致程序發(fā)生核心轉儲。
在運行程序或連接到已經運行的程序之前，請列出您覺得有錯誤的源代碼，設置斷點，然后開始調試程序。您可以使用 help 命令查看全面的 gdb 在線幫助和詳細的教程。
[color=blue:627becdd94]kgdb[/color:627becdd94]
kgdb 程序（使用 gdb 的遠程主機 Linux 內核調試器）提供了一種使用 gdb 調試 Linux 內核的機制。kgdb 程序是內核的擴展，它讓您能夠在遠程主機上運行 gdb 時連接到運行用 kgdb 擴展的內核機器。您可以接著深入到內核中、設置斷點、檢查數(shù)據(jù)并進行其它操作（類似于您在應用程序上使用 gdb 的方式）。這個補丁的主要特點之一就是運行 gdb 的主機在引導過程中連接到目標機器（運行要被調試的內核）。這讓您能夠盡早開始調試。請注意，補丁為 Linux 內核添加了功能，所以 gdb 可以用來調試 Linux 內核。
使用 kgdb 需要兩臺機器：一臺是開發(fā)機器，另一臺是測試機器。一條串行線（空調制解調器電纜）將通過機器的串口連接它們。您希望調試的內核在測試機器上運行；gdb 在開發(fā)機器上運行。gdb 使用串行線與您要調試的內核通信。
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