您可以用各種方法來監控運作着的使用者空間程式：可以為其運作調試器并單步調試該程式，添加列印語句，或者添加工具來分析程式。本文描述了幾種可以用來調試在 Linux 上運作的程式的方法。我們将回顧四種調試問題的情況，這些問題包括段錯誤，記憶體溢出和洩漏，還有挂起。
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2002 年 8 月 09 日
在 IBM Bluemix 雲平台上開發并部署您的下一個應用。
<a href="https://developer.ibm.com/sso/bmregistration?lang=zh_CN&ca=dwchina-_-bluemix-_-l-debug-_-sidebar">開始您的試用</a>
本文讨論了四種調試 Linux 程式的情況。在第 1 種情況中，我們使用了兩個有記憶體配置設定問題的樣本程式，使用 MEMWATCH 和 Yet Another Malloc Debugger（YAMD）工具來調試它們。在第 2 種情況中，我們使用了 Linux 中的 strace 實用程式，它能夠跟蹤系統調用和信号，進而找出程式發生錯誤的地方。在第 3 種情況中，我們使用 Linux 核心的 Oops 功能來解決程式的段錯誤，并向您展示如何設定核心源代碼級調試器（kernel source level debugger，kgdb），以使用 GNU 調試器（GNU debugger，gdb）來解決相同的問題；kgdb 程式是使用串行連接配接的 Linux 核心遠端 gdb。在第 4 種情況中，我們使用 Linux 上提供的魔術鍵控順序（magic key sequence）來顯示引發挂起問題的元件的資訊。
當您的程式中包含錯誤時，很可能在代碼中某處有一個條件，您認為它為真（true），但實際上是假（false）。找出錯誤的過程也就是在找出錯誤後推翻以前一直确信為真的某個條件過程。
以下幾個示例是您可能确信成立的條件的一些類型：
在源代碼中的某處，某變量有特定的值。
在給定的地方，某個結構已被正确設定。
對于給定的 <code>if-then-else</code> 語句， <code>if</code> 部分就是被執行的路徑。
當子例程被調用時，該例程正确地接收到了它的參數。
找出錯誤也就是要确定上述所有情況是否存在。如果您确信在子例程被調用時某變量應該有特定的值，那麼就檢查一下情況是否如此。如果您相信 <code>if</code> 結構會被執行，那麼也檢查一下情況是否如此。通常，您的假設都會是正确的，但最終您會找到與假設不符的情況。結果，您就會找出發生錯誤的地方。
調試是您無法逃避的任務。進行調試有很多種方法，比如将消息列印到螢幕上、使用調試器，或隻是考慮程式執行的情況并仔細地揣摩問題所在。
在修正問題之前，您必須找出它的源頭。舉例來說，對于段錯誤，您需要了解段錯誤發生在代碼的哪一行。一旦您發現了代碼中出錯的行，請确定該方法中變量的值、方法被調用的方式以及關于錯誤如何發生的詳細情況。使用調試器将使找出所有這些資訊變得很簡單。如果沒有調試器可用，您還可以使用其它的工具。（請注意，産品環境中可能并不提供調試器，而且 Linux 核心沒有内建的調試器。）
您可以使用 Linux 上的調試工具，通過各種方式跟蹤使用者空間和核心問題。請使用下面的工具和技術來建構和調試您的源代碼：
使用者空間工具：
記憶體工具：MEMWATCH 和 YAMD
strace
GNU 調試器（gdb）
魔術鍵控順序
核心工具：
核心源代碼級調試器（kgdb）
内建核心調試器（kdb）
Oops
本文将讨論一類通過人工檢查代碼不容易找到的問題，而且此類問題隻在很少見的情況下存在。記憶體錯誤通常在多種情況同時存在時出現，而且您有時隻能在部署程式之後才能發現記憶體錯誤。
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C 語言作為 Linux 系統上标準的程式設計語言給予了我們對動态記憶體配置設定很大的控制權。然而，這種自由可能會導緻嚴重的記憶體管理問題，而這些問題可能導緻程式崩潰或随時間的推移導緻性能降級。
記憶體洩漏（即 <code>malloc()</code> 記憶體在對應的 <code>free()</code> 調用執行後永不被釋放）和緩沖區溢出（例如對以前配置設定到某數組的記憶體進行寫操作）是一些常見的問題，它們可能很難檢測到。這一部分将讨論幾個調試工具，它們極大地簡化了檢測和找出記憶體問題的過程。
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清單 1. 記憶體樣本（test1.c）
清單 1 中的代碼将配置設定兩個 512 位元組的記憶體塊，然後指向第一個記憶體塊的指針被設定為指向第二個記憶體塊。結果，第二個記憶體塊的位址丢失，進而産生了記憶體洩漏。
現在我們編譯清單 1 的 memwatch.c。下面是一個 makefile 示例：
test1
當您運作 test1 程式後，它會生成一個關于洩漏的記憶體的報告。清單 2 展示了示例 memwatch.log 輸出檔案。
清單 2. test1 memwatch.log 檔案
MEMWATCH 為您顯示真正導緻問題的行。如果您釋放一個已經釋放過的指針，它會告訴您。對于沒有釋放的記憶體也一樣。日志結尾部分顯示統計資訊，包括洩漏了多少記憶體，使用了多少記憶體，以及總共配置設定了多少記憶體。
一旦您下載下傳了 YAMD 之後，請在 test1.c 上使用它。請删除 <code>#include memwatch.h</code> 并對 makefile 進行如下小小的修改：
使用 YAMD 的 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
YAMD 顯示我們已經釋放了記憶體，而且存在記憶體洩漏。讓我們在清單 4 中另一個樣本程式上試試 YAMD。
清單 4. 記憶體代碼（test2.c）
您可以使用下面的指令來啟動 YAMD：
<code>./run-yamd /usr/src/test/test2/test2</code>
清單 5 顯示了在樣本程式 test2 上使用 YAMD 得到的輸出。YAMD 告訴我們在 <code>for</code> 循環中有“越界（out-of-bounds）”的情況。
清單 5. 使用 YAMD 的 test2 輸出
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，您需要添加包含檔案 memwatch.h 并打開兩個編譯時間标記。對于連結（link）語句，YAMD 隻需要 <code>-g</code> 選項。
多數 Linux 分發版包含一個 Electric Fence 包，不過您也可以選擇下載下傳它。Electric Fence 是一個由 Bruce Perens 編寫的 <code>malloc()</code> 調試庫。它就在您配置設定記憶體後配置設定受保護的記憶體。如果存在 fencepost 錯誤（超過數組末尾運作），程式就會産生保護錯誤，并立即結束。通過結合 Electric Fence 和 gdb，您可以精确地跟蹤到哪一行試圖通路受保護記憶體。Electric Fence 的另一個功能就是能夠檢測記憶體洩漏。
<code>strace</code> 指令是一種強大的工具，它能夠顯示所有由使用者空間程式發出的系統調用。strace 顯示這些調用的參數并傳回符号形式的值。strace 從核心接收資訊，而且不需要以任何特殊的方式來建構核心。将跟蹤資訊發送到應用程式及核心開發者都很有用。在清單 6 中，分區的一種格式有錯誤，清單顯示了 strace 的開頭部分，内容是關于調出建立檔案系統操作（ <code>mkfs</code> ）的。strace 确定哪個調用導緻問題出現。
清單 6. mkfs 上 strace 的開頭部分
清單 6 顯示 <code>ioctl</code> 調用導緻用來格式化分區的 <code>mkfs</code> 程式失敗。 <code>ioctl BLKGETSIZE64</code> 失敗。（ <code>BLKGET-SIZE64</code> 在調用 <code>ioctl</code> 的源代碼中定義。) <code>BLKGETSIZE64 ioctl</code> 将被添加到 Linux 中所有的裝置，而在這裡，邏輯卷管理器還不支援它。是以，如果 <code>BLKGETSIZE64 ioctl</code> 調用失敗，mkfs 代碼将改為調用較早的 <code>ioctl</code> 調用；這使得 <code>mkfs</code> 适用于邏輯卷管理器。
您可以從指令行使用 gdb 程式（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 程式來找出錯誤。您可以使用 gdb 來調試使用者空間程式或 Linux 核心。這一部分隻讨論從指令行運作 gdb 的情況。
使用 <code>gdb program name</code> 指令啟動 gdb。gdb 将載入可執行程式符号并顯示輸入提示符，讓您可以開始使用調試器。您可以通過三種方式用 gdb 檢視程序：
使用 attach 指令開始檢視一個已經運作的程序；attach 将停止程序。
使用 run 指令執行程式并從頭開始調試程式。
檢視已有的核心檔案來确定程序終止時的狀态。要檢視核心檔案，請用下面的指令啟動 gdb。 <code>gdb programname corefilename</code>
要用核心檔案進行調試，您不僅需要程式的可執行檔案和源檔案，還需要核心檔案本身。要用核心檔案啟動 gdb，請使用 -c 選項： <code>gdb -c core programname</code>
gdb 顯示哪行代碼導緻程式發生核心轉儲。
在運作程式或連接配接到已經運作的程式之前，請列出您覺得有錯誤的源代碼，設定斷點，然後開始調試程式。您可以使用 <code>help</code> 指令檢視全面的 gdb 線上幫助和詳細的教程。
kgdb 程式（使用 gdb 的遠端主機 Linux 核心調試器）提供了一種使用 gdb 調試 Linux 核心的機制。kgdb 程式是核心的擴充，它讓您能夠在遠端主機上運作 gdb 時連接配接到運作用 kgdb 擴充的核心機器。您可以接着深入到核心中、設定斷點、檢查資料并進行其它操作（類似于您在應用程式上使用 gdb 的方式）。這個更新檔的主要特點之一就是運作 gdb 的主機在引導過程中連接配接到目标機器（運作要被調試的核心）。這讓您能夠盡早開始調試。請注意，更新檔為 Linux 核心添加了功能，是以 gdb 可以用來調試 Linux 核心。
使用 kgdb 需要兩台機器：一台是開發機器，另一台是測試機器。一條串行線（空數據機電纜）将通過機器的序列槽連接配接它們。您希望調試的核心在測試機器上運作；gdb 在開發機器上運作。gdb 使用串行線與您要調試的核心通信。
請遵循下面的步驟來設定 kgdb 調試環境：
下載下傳您的 Linux 核心版本适用的更新檔。
将元件建構到核心，因為這是使用 kgdb 最簡單的方法。（請注意，有兩種方法可以建構多數核心元件，比如作為子產品或直接建構到核心中。舉例來說，日志紀錄檔案系統（Journaled File System，JFS）可以作為子產品建構，或直接建構到核心中。通過使用 gdb 更新檔，我們就可以将 JFS 直接建構到核心中。）
應用核心更新檔并重新建構核心。
建立一個名為 .gdbinit 的檔案，并将其儲存在核心源檔案子目錄中（換句話說就是 /usr/src/linux）。檔案 .gdbinit 中有下面四行代碼：
<code>set remotebaud 115200</code>
<code>symbol-file vmlinux</code>
<code>target remote /dev/ttyS0</code>
<code>set output-radix 16</code>
将 append=gdb 這一行添加到 lilo，lilo 是用來在引導核心時選擇使用哪個核心的引導載入程式。
<code>image=/boot/bzImage-2.4.17</code>
<code>label=gdb2417</code>
<code>read-only</code>
<code>root=/dev/sda8</code>
<code>append="gdb gdbttyS=1 gdb-baud=115200 nmi_watchdog=0"</code>
清單 7 是一個腳本示例，它将您在開發機器上建構的核心和子產品引入測試機器。您需要修改下面幾項：
<code>best@sfb</code> ：使用者辨別和機器名。
<code>/usr/src/linux-2.4.17</code> ：核心源代碼樹的目錄。
<code>bzImage-2.4.17</code> ：測試機器上将引導的核心名。
<code>rcp</code> 和 <code>rsync</code> ：必須允許它在建構核心的機器上運作。
清單 7. 引入測試機器的核心和子產品的腳本
現在我們可以通過改為使用核心源代碼樹開始的目錄來啟動開發機器上的 gdb 程式了。在本示例中，核心源代碼樹位于 /usr/src/linux-2.4.17。輸入 <code>gdb</code> 啟動程式。
如果一切正常，測試機器将在啟動過程中停止。輸入 <code>gdb</code> 指令 <code>cont</code> 以繼續啟動過程。一個常見的問題是，空數據機電纜可能會被連接配接到錯誤的序列槽。如果 gdb 不啟動，将端口改為第二個序列槽，這會使 gdb 啟動。
清單 8 列出了 jfs_mount.c 檔案的源代碼中被修改過的代碼，我們在代碼中建立了一個空指針異常，進而使代碼在第 109 行産生段錯誤。
清單 8. 修改過後的 jfs_mount.c 代碼
清單 9 在向檔案系統發出 mount 指令之後顯示一個 gdb 異常。kgdb 提供了幾條指令，如顯示資料結構和變量值以及顯示系統中的所有任務處于什麼狀态、它們駐留在何處、它們在哪些地方使用了 CPU 等等。清單 9 将顯示回溯跟蹤為該問題提供的資訊； <code>where</code> 指令用來執行反跟蹤，它将告訴被執行的調用在代碼中的什麼地方停止。
清單 9. gdb 異常和反跟蹤
下一部分還将讨論這個相同的 JFS 段錯誤問題，但不設定調試器，如果您在非 kgdb 核心環境中執行清單 8 中的代碼，那麼它使用核心可能生成的 Oops 消息。
Oops（也稱 panic，慌張）消息包含系統錯誤的細節，如 CPU 寄存器的内容。在 Linux 中，調試系統崩潰的傳統方法是分析在發生崩潰時發送到系統控制台的 Oops 消息。一旦您掌握了細節，就可以将消息發送到 ksymoops 實用程式，它将試圖将代碼轉換為指令并将堆棧值映射到核心符号。在很多情況下，這些資訊就足夠您确定錯誤的可能原因是什麼了。請注意，Oops 消息并不包括核心檔案。
讓我們假設系統剛剛建立了一條 Oops 消息。作為編寫代碼的人，您希望解決問題并确定什麼導緻了 Oops 消息的産生，或者您希望向顯示了 Oops 消息的代碼的開發者提供有關您的問題的大部分資訊，進而及時地解決問題。Oops 消息是等式的一部分，但如果不通過 ksymoops 程式運作它也于事無補。下面的圖顯示了格式化 Oops 消息的過程。
ksymoops 需要幾項内容：Oops 消息輸出、來自正在運作的核心的 System.map 檔案，還有 /proc/ksyms、vmlinux 和 /proc/modules。關于如何使用 ksymoops，核心源代碼 /usr/src/linux/Documentation/oops-tracing.txt 中或 ksymoops 手冊頁上有完整的說明可以參考。Ksymoops 反彙編代碼部分，指出發生錯誤的指令，并顯示一個跟蹤部分表明代碼如何被調用。
首先，将 Oops 消息儲存在一個檔案中以便通過 ksymoops 實用程式運作它。清單 10 顯示了由安裝 JFS 檔案系統的 mount 指令建立的 Oops 消息，問題是由清單 8 中添加到 JFS 安裝代碼的那三行代碼産生的。
清單 10. ksymoops 處理後的 Oops 消息
接下來，您要确定 jfs_mount 中的哪一行代碼引起了這個問題。Oops 消息告訴我們問題是由位于偏移位址 3c 的指令引起的。做這件事的辦法之一是對 jfs_mount.o 檔案使用 objdump 實用程式，然後檢視偏移位址 3c。Objdump 用來反彙編子產品函數，看看您的 C 源代碼會産生什麼彙編指令。清單 11 顯示了使用 objdump 後您将看到的内容，接着，我們檢視 jfs_mount 的 C 代碼，可以看到空值是第 109 行引起的。偏移位址 3c 之是以很重要，是因為 Oops 消息将該處辨別為引起問題的位置。
清單 11. jfs_mount 的彙程式設計式清單
Linux 核心調試器（Linux kernel debugger，kdb）是 Linux 核心的更新檔，它提供了一種在系統能運作時對核心記憶體和資料結構進行檢查的辦法。請注意，kdb 不需要兩台機器，不過它也不允許您像 kgdb 那樣進行源代碼級别上的調試。您可以添加額外的指令，給出該資料結構的辨別或位址，這些指令便可以格式化和顯示基本的系統資料結構。目前的指令集允許您控制包括以下操作在内的核心操作：
處理器單步執行
執行到某條特定指令時停止
當存取（或修改）某個特定的虛拟記憶體位置時停止
當存取輸入／輸出位址空間中的寄存器時停止
對目前活動的任務和所有其它任務進行堆棧回溯跟蹤（通過程序 ID）
對指令進行反彙編
您肯定不想陷入類似在幾千次調用之後發生配置設定溢出這樣的情形。
我們的小組花了許許多多時間來跟蹤稀奇古怪的記憶體錯誤問題。應用程式在我們的開發工作站上能運作，但在新的産品工作站上，這個應用程式在調用 <code>malloc()</code> 兩百萬次之後就不能運作了。真正的問題是在大約一百萬次調用之後發生了溢出。新系統之所有存在這個問題，是因為被保留的 <code>malloc()</code> 區域的布局有所不同，進而這些零散記憶體被放置在了不同的地方，在發生溢出時破壞了一些不同的内容。
我們用多種不同技術來解決這個問題，其中一種是使用調試器，另一種是在源代碼中添加跟蹤功能。在我職業生涯的大概也是這個時候，我便開始關注記憶體調試工具，希望能更快更有效地解決這些類型的問題。在開始一個新項目時，我最先做的事情之一就是運作 MEMWATCH 和 YAMD，看看它們是不是會指出記憶體管理方面的問題。
記憶體洩漏是應用程式中常見的問題，不過您可以使用本文所講述的工具來解決這些問題。
如果在 Linux 挂起時您的鍵盤仍然能用，那請您使用以下方法來幫助解決挂起問題的根源。遵循這些步驟，您便可以顯示目前運作的程序和所有使用魔術鍵控順序的程序的回溯跟蹤。
您正在運作的核心必須是在啟用 <code>CONFIG_MAGIC_SYS-REQ</code> 的情況下建構的。您還必須處在文本模式。CLTR+ALT+F1 會使您進入文本模式，CLTR+ALT+F7 會使您回到 X Windows。
當在文本模式時，請按 <ALT+ScrollLock>，然後按 <Ctrl+ScrollLock>。上述魔術的擊鍵會分别給出目前運作的程序和所有程序的堆棧跟蹤。
請查找 /var/log/messages。如果一切設定正确，則系統應該已經為您轉換了核心的符号位址。回溯跟蹤将被寫到 /var/log/messages 檔案中。
幫助調試 Linux 上的程式有許多不同的工具可供使用。 本文講述的工具可以幫助您解決許多編碼問題。能顯示記憶體洩漏、溢出等等的位置的工具可以解決記憶體管理問題，我發現 MEMWATCH 和 YAMD 很有幫助。
使用 Linux 核心更新檔會使 gdb 能在 Linux 核心上工作，這對解決我工作中使用的 Linux 的檔案系統方面的問題很有幫助。此外，跟蹤實用程式能幫助确定在系統調用期間檔案系統實用程式什麼地方出了故障。下次當您要擺平 Linux 中的錯誤時，請試試這些工具中的某一個。
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