簡介
對用戶態進程，利用gdb調試代碼是很方便的手段。而對於內核態的問題，可以利用crash等工具基於coredump文件進行調試。其實我們也可以利用一些手段對Linux內核代碼進行gdb調試，qemu就是一種。qemu是一款完全軟件模擬(Binary translation)的虛擬化軟件，在虛擬化的實現中性能相對較差。但利用它來在測試環境中gdb調試Linux內核代碼，是熟悉Linux內核代碼的一個好方法。本文旨在介紹怎么利用qemu搭建Linux的gdb調試環境。其中主要包括了如何編譯Linux內核，如何利用gdb遠程連接qemu啟動的gdbserver，進而進一步進行內核代碼調試。
環境
- Linux Distribution: Ubuntu 14.04.5 TLS
- 調試內核版本：3.18.6 (本文將內核編譯成x86 32位架構來做演示)
編譯內核
下載3.18.6版本內核源代碼。
# wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz # xz –d linux-3.18.6.tar.xz # tar –xvf linux-3.18.6.tar # cd linux-3.18.6
編譯選項
不同的架構有不同的默認文件，比如x86平台，可以在arch/x86/configs找到相關文件：i386_defconfig。通過執行make i386_defconfig 即可基於這個文件生成.config文件，在此基礎上可以再運行make menuconfig 來進行個別的調整。更多的細節請參考：Documentation\kbuild\kconfig.txt。 總之，無論怎么配置，最終都是為了生成.config文件。這些宏最終將影響Makefile中參與編譯的文件。
代碼的編譯選項配置很多，這里主要做如下兩處配置：
- 讓系統內核在32位架構中運行 //只是為了演示，非必須
- 開啟"Compile the kernel with debug info"選項 //如果要讓內核可調試，這個選項必選
# make i386_defconfig //32位架構 # make menuconfig // 調整編譯選項
注意：默認make menuconfig會報錯如下，因為最小系統不支持圖形顯示。
# make menuconfig HOSTCC scripts/kconfig/mconf.o In file included from scripts/kconfig/mconf.c:23:0: scripts/kconfig/lxdialog/dialog.h:38:20: fatal error: curses.h: No such file or directory #include CURSES_LOC ^ compilation terminated.
解決方法：
# apt-get install libncurses5-dev -y
在內核編譯選項中，開啟如下"Compile the kernel with debug info"
Kernel hacking --->
Compile-time checks and compiler options --->
[ ] Compile the kernel with debug info
示意圖如下，利用鍵盤選中debug選項，然后敲"Y"勾選：
在menuconfig中選完編譯選項，結果會寫入到.config文件中。可以看到.config文件的CONFIG_DEBUG_INFO被設置成Y。
編譯
編譯選項選完后，利用make編譯，編譯需要較長時間。
# make -j2
編譯完成之后，會有一些新的文件產生，如：
- linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage // 相當於/boot目錄下vmlinuz，是一個壓縮的，可以bootable的Linux kernel文件
- linux-3.18.6/vmlinux // 一個非壓縮的，不可以bootable的Linux kernel文件。是用來生成bzImage/vmlinuz的中間步驟。
qemu
安裝qemu
# apt-get update # apt-get install qemu # 因為用的32位平台環境，所以用下面的qemu # ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
qemu主要選項解釋：
- -kernel bzImage: Use bzImage as kernel image. The kernel can be either a Linux kernel or in multiboot format. // 指定可以bootable的內核壓縮文件
- -initrd file: use 'file' as initial ram disk // 指定initramdisk
- -append cmdline: use 'cmdline' as kernel command line // 指定kernel cmdline
- -S: Do not start CPU at startup (you must type 'c' in the monitor). // 用於調試代碼
- -s: Shorthand for -gdb tcp::1234, i.e. open a gdbserver on TCP port 1234. // 開啟一個gdbserver, 可以通過TCP端口1234連接
- -nographic: Normally, QEMU uses SDL to display the VGA output. With this option, you can totally disable graphical output so that QEMU is a simple command line application. The emulated serial port is redirected on the console and muxed with the monitor (unless redirected elsewhere explicitly). // 默認qemu使用圖形方式，該現象可以啟用非圖形方式
利用gdb調試
利用qemu啟動編譯好的內核，如下：
# qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -s -S -append "console=ttyS0" -nographic
在本機另一個terminal利用gdb連接本地的gdbserver 1234端口
# gdb # (gdb) file linux-3.18.6/vmlinux //load Linux符號表 Reading symbols from linux-3.18.6/vmlinux...done. # (gdb) target remote:1234 //遠程連接監聽在TCP 1234的gdb server (gdb) break start_kernel //在start_kernel函數設置斷點 Breakpoint 1 at 0xc1a2f7c5: file init/main.c, line 501. (gdb) c //continue,繼續執行代碼
在繼續執行后，最終qemu的輸出如下，在qemu虛擬機里運行的Linux系統能成功啟動，並且最終以Kernel panic宣告結束。看到call trace打出來的是在initrd_load的時候出錯，原因很簡單，因為啟動系統的時候只指定了bzImage，沒有指定initrd文件，系統無法mount上initrd (init ram disk) 及其initramfs文件系統。
到此為止，gdb調試Linux內核代碼的基本環境已經搭建完成，可以利用斷點來調試啟動啟動中的細節。后面將介紹如何構建initramfs文件系統，能讓qemu運行的Linux系統更像“完整的系統”。