Linux debug

Daily Notes
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在 Linux 上编译和调试内核的完整指南

第一阶段：环境准备

1. 安装必需的编译工具和依赖

在 Ubuntu/Debian 系统上：

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sudo apt update
sudo apt install -y git build-essential libncurses-dev flex bison libssl-dev libelf-dev dwarves
sudo apt install -y qemu-system-x86  # 虚拟机
sudo apt install -y gdb              # 调试器

在 CentOS/RHEL/Fedora 系统上，使用 yum 或 dnf 安装类似的包。

2. 获取内核源码

方法A：从官方仓库克隆（推荐，获取最新版本）

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git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git
cd linux

方法B：下载稳定版本压缩包
从 https://kernel.org 下载一个稳定的源码压缩包（如 linux-6.6.6.tar.xz），然后解压：

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tar -xvf linux-6.6.6.tar.xz
cd linux-6.6.6

第二阶段：配置与编译

3. 内核配置

这是最关键的一步。你可以基于当前运行的内核配置来开始，这样可以减少不必要的麻烦。

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# 将当前系统的配置复制到源码目录
cp /boot/config-$(uname -r) .config

运行配置菜单：

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make menuconfig

在出现的图形化界面中，确保开启以下关键调试选项（使用空格键选择，* 表示编译进内核，M 表示编译为模块）：

  • Kernel hacking ->
    • Compile-time checks and compiler options ->
      • [*] Compile the kernel with debug info (CONFIG_DEBUG_INFO) - 这是最重要的，生成调试符号。
      • [*] Generate dwarf4 debuginfo (CONFIG_DEBUG_INFO_DWARF4)
      • [*] Provide GDB scripts for kernel debugging (CONFIG_GDB_SCRIPTS)
    • [*] KGDB: kernel debugger (CONFIG_KGDB)
      保存并退出配置菜单。
      如果直接使用现有配置，可以运行 make olddefconfig 来无声地接受所有新选项的默认值。

4. 编译内核

使用 -j 参数来并行编译，数字为你的CPU核心数 * 2，以大幅加快速度（例如，8核CPU用 -j16）。

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# 获取CPU核心数
nproc
# 开始编译
make -j$(nproc)

这个过程会持续很长时间（从几十分钟到几小时），取决于你的硬件性能。
编译完成后，主要生成以下文件：

  • vmlinux: 在源码根目录，这是带有调试信息的原始内核可执行文件，是GDB调试的主要对象。
  • arch/x86/boot/bzImage: 压缩后的可引导内核镜像，用于启动系统。

第三阶段：使用 QEMU 启动和调试

为了避免损坏你的主机系统，在虚拟机中调试是最安全的方式。

5. 准备一个最小的根文件系统（rootfs）

我们需要一个简单的环境来运行内核。BusyBox 是一个很好的选择。

  1. 下载并编译 BusyBox：
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cd ..
wget https://www.busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2
tar -xf busybox-1.36.1.tar.bz2
cd busybox-1.36.1
make menuconfig

在 BusyBox 设置中，进入 Settings -> [*] Build static binary (no shared libs)。

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make -j$(nproc) && make install
  1. 创建根文件系统：
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cd _install
mkdir -p proc sys dev etc tmp
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/
  1. 创建一个简单的 init 脚本（必须是可执行的）：
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cat > init << EOF
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs none /dev
echo "Welcome to QEMU Linux!"
exec /bin/sh
EOF
chmod +x init
  1. 打包成 initramfs：
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find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz
cd ../..

6. 使用 QEMU 启动编译好的内核

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qemu-system-x86_64 \
    -kernel linux/arch/x86/boot/bzImage \
    -initrd busybox-1.36.1/initramfs.cpio.gz \
    -append "console=ttyS0 nokaslr root=/dev/ram init=/init" \
    -nographic \
    -s -S \
    -smp 2 \
    -m 2G

参数解释：

  • -s: 缩写，相当于 -gdb tcp::1234，在TCP端口1234上开启GDB调试服务。
  • -S: 在启动时冻结CPU，等待GDB发出 continue 指令后再继续。这是开始调试的关键。
  • -nographic: 无图形界面，将QEMU控制台输出到当前终端。
  • -append “nokaslr”: 禁用内核地址空间布局随机化，这是调试所必需的，否则断点会错位。
  • -smp and -m: 指定CPU核心数和内存大小。
    此时，QEMU窗口会黑屏并等待GDB连接。

7. 使用 GDB 连接并调试

打开另一个终端标签页，进入你的内核源码目录。

  1. 启动 GDB，并加载带有调试信息的 vmlinux 文件：
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cd linux
gdb vmlinux
  1. 在 GDB 中连接目标：
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(gdb) break start_kernel
(gdb) continue
  • target remote :1234：连接到正在等待的 QEMU 实例。
  • break start_kernel：在内核启动的早期阶段设置一个断点。
  • continue：让被 -S 冻结的虚拟机继续运行，它很快就会在 start_kernel 处停下。

开始调试：
现在你可以像调试普通程序一样使用 GDB 命令了：

  • next (n): 单步跳过
  • step (s): 单步进入
  • break : 设置断点
  • list: 查看源代码
  • print : 打印变量值
  • continue (c): 继续运行
  • backtrace (bt): 查看调用栈

clangd

为 Linux 内核生成 compile_commands.json:

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make compile_commands.json

​​生成 Clang 兼容的编译数据库​​：

使用 scripts/gen_compile_commands.py（内核自带脚本）生成时，它会自动过滤掉 Clang 不支持的选项：

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make CC=clang compile_commands.json