内核调试工具 — kdump & crash

kdump简介

 

kdump是系统崩溃的时候，用来转储运行内存的一个工具。

系统一旦崩溃，内核就没法正常工作了，这个时候将由kdump提供一个用于捕获当前运行信息的内核，

该内核会将此时内存中的所有运行状态和数据信息收集到一个dump core文件中以便之后分析崩溃原因。

一旦内存信息收集完成，可以让系统将自动重启。

 

kdump是RHEL5之后才支持的，2006被主线接收为内核的一部分。它的原理简单来说是在内存中保留一块

区域，这块区域用来存放capture kernel，当production kernel发生crash的时候，通过kexec把保留区域的

capure kernel给运行起来，再由捕获内核负责把产品内核的完整信息 - 包括CPU寄存器、堆栈数据等转储

到指定位置的文件中。

 

kdump原理

 

kexec是kdump机制的关键，包含两部分：

内核空间的系统调用kexec_load。负责在生产内核启动时将捕获内核加载到指定地址。

用户空间的工具kexec-tools。将捕获内核的地址传递给生产内核，从而在系统崩溃的时候找到捕获内核的地址并运行。

 

kdump是一种基于kexec的内核崩溃转储机制。当系统崩溃时，kdump使用kexec启动到第二个内核。第二个内核通常

叫做捕获内核，以很小内存启动以捕获转储镜像。第一个内核保留了内存的一部分给第二个内核启动使用。

由于kdump利用kexec启动捕获内核，绕过了BIOS，所以第一个内核的内存得以保留。这是内存崩溃转储的本质。

捕获内核启动后，会像一般内核一样，去运行为它创建的ramdisk上的init程序。而各种转储机制都可以事先在init中实现。

为了在生产内核崩溃时能顺利启动捕获内核，捕获内核以及它的ramdisk是事先放到生产内核的内存中的。

生产内核的内存是通过/proc/vmcore这个文件交给捕获内核的。为了生成它，用户工具在生产内核中分析出内存的使用和

分布等情况，然后把这些信息综合起来生成一个ELF头文件保存起来。捕获内核被引导时会被同时传递这个ELF文件头的

地址，通过分析它，捕获内核就可以生成出/proc/vmcore。有了/proc/vmcore这个文件，捕获内核的ramdisk中的脚本就

可以通过通常的文件读写和网络来实现各种策略了。

 

kdump配置

 

RHEL5开始，kexec-tools是默认安装的。

如果需要调试kdump生成的vmcore文件，需要手动安装kernel-debuginfo包。

 

(1) 预留内存

可以修改内核引导参数，为启动捕获内核预留指定内存。

在/etc/grub.conf (一般为/boot/grub/grub.conf的软链接)中：

crashkernel=Y@X，Y是为kdump捕获内核保留的内存，X是保留部分内存的起始位置。

默认为crashkernel=auto，可自行设定如crashkernel=256M。

 

(2) 配置文件

配置文件为/etc/kdump.conf，以下是几个常用配置：

 

# path /var/crash

默认的vmcore存放目录为/var/crash/%HOST-%DATE/，包括两个文件：vmcore和vmcore-dmesg.txt

 

# ssh <user@service>

will copy /proc/vmcore to <user@server>:<path>/%HOST-%DATE/ via SSH

make sure user has necessary write permissions on server.

自动拷贝到远程机器上。

 

# default <reboot | halt | poweroff | shell | mount_root_run_init>

Actions to perform in case dumping to intended target fails.

转储失败时执行。

 

(3) 启动服务

# chkconfig kdump on // 开机启动

# service kdump status // start、stop、restart等

 

(4) 功能验证

Magic System request key is a magical key combo you can hit which the kernel will respond to regardless

of whatever else it is doing, unless it is completely locked up.

使用sysrq需要编译选项CONFIG_MAGIC_SYSRQ的支持。详细信息可看documentation/sysrq.txt。

 

故意让系统崩溃，来测试kdump是否正常工作。

# echo c > /proc/sysrq-trigger

Will perform a system crash by a NULL pointer dereference.

A crash dump will be taken if configured.

 

Magic SysRq还有一些很有趣的值，有的具有很大的破环性，输出在/var/log/messages：

f：call oom_kill to kill a memory hog process. 执行oom killer。

l：shows a stack backtrace for all active CPUs. 打印出所有CPU的stack backtrace。

m：dump current memory info. 打印出内存使用信息。

p：dump the current registers and flags. 打印出所在CPU的寄存器信息。

 

(5) 捕获内核

捕获内核是一个未压缩的ELF映像文件，查看捕获内核是否加载到内存中：

# cat /sys/kernel/kexec_crash_loaded

缩小捕获内核占用的内存：

# echo N > /sys/kernel/kexec_crash_size

 

crash简介

 

当系统崩溃时，通过kdump可以获得当时的内存转储文件vmcore，但是该如何分析vmcore呢？

crash是一个用于分析内核转储文件的工具，一般和kdump搭配使用。

使用crash时，要求调试内核vmlinux在编译时带有-g选项，即带有调试信息。

如果没有指定vmcore，则默认使用实时系统的内存来分析。

 

值得一提的是，crash也可以用来分析实时的系统内存，是一个很强大的调试工具。

crash使用gdb作为内部引擎，语法类似于gdb，命令的使用说明可以用<cmd> help来查看。

使用crash需要安装crash工具包和内核调试信息包：

crash

kernel-debuginfo-common

kernel-debuginfo

 

crash使用

 

Analyze Linux crash dump data or a live system.

crash [OPTION] NAMELIST MEMORY-IMAGE      (dumpfile form)

crash [OPTION] [NAMELIST]                                   (live system form)

 

使用crash来调试vmcore，至少需要两个参数：

NAMELIST：未压缩的内核映像文件vmlinux，默认位于/usr/lib/debug/lib/modules/$(uname -r)/vmlinux，由

内核调试信息包提供。

MEMORY-IMAGE：内存转储文件vmcore，默认位于/var/crash/%HOST-%DATE/vmcore，由kdump生成。

例如：# crash /usr/lib/debug/lib/modules/$(uname -r)/vmlinux   /var/crash/%HOST-%DATE/vmcore

 

(1) 错误类型

首先可以在vmcore-dmesg.txt中先查看错误类型，如：

1. divide error: 0000 [#1] SMP，除数为0造成内核崩溃，由1号CPU触发。

2. BUG: unable to handle kernel NULL pointer dereference at 000000000000012c，引用空指针。

这样一来就能知道引发内核崩溃的错误类型。

 

(2) 错误地点

RIP为造成内核崩溃的指令，Call Trace为函数调用栈，通过RIP和Call Trace可以确定函数的调用路径，以及在

哪个函数中的哪条指令引发了错误。

 

例如RIP为：[<ffffffff812cdb54>] ? tcp_enter_loss+0x1d3/0x23b

[<ffffffff812cdb54>]是指令在内存中的虚拟地址。

tcp_enter_loss是函数名(symbol)。

0x1d3是这条指令相对于tcp_enter_loss入口的偏移，0x23b是函数编译成机器码后的长度。

这样一来就能确定在哪个函数中引发了错误，以及错误的大概位置。

 

Call Trace为函数的调用栈，是从下往上看的。可以用来分析函数的调用关系。

 

(3) crash基本输出

# crash /usr/lib/debug/lib/modules/$(uname -r)/vmlinux   /var/crash/%HOST-%DATE/vmcore

      KERNEL: /usr/lib/debug/lib/modules/2.6.32-358.el6.x86_64/vmlinux    DUMPFILE: vmcore  [PARTIAL DUMP]        CPUS: 12        DATE: Fri Sep 19 16:47:01 2014      UPTIME: 7 days, 06:37:46LOAD AVERAGE: 0.19, 0.05, 0.01       TASKS: 282    NODENAME: localhost.localdomain     RELEASE: 2.6.32-358.el6.x86_64     VERSION: #1 SMP Tue Oct 29 10:18:21 CST 2013     MACHINE: x86_64  (1999 Mhz)      MEMORY: 48 GB       PANIC: "Oops: 0002 [#1] SMP " (check log for details)         PID: 0     COMMAND: "swapper"        TASK: ffffffff81a8d020  (1 of 12)  [THREAD_INFO: ffffffff81a00000]         CPU: 0       STATE: TASK_RUNNING (PANIC)

这些基本输出信息简单明了，可由sys命令触发。

 

(4) crash常用命令

bt：打印函数调用栈，displays a task's kernel-stack backtrace，可以指定进程号bt <pid>。

log：打印系统消息缓冲区，displays the kernel log_buf contents，如log | tail -n 30。

ps：显示进程的状态，>表示活跃的进程，如ps | grep RU。

sys：显示系统概况。

kmem -i：显示内存使用信息。

dis <addr>：对给定地址进行反汇编。

 

exception RIP即为造成错误的指令。

关于log命令：

内核首先把消息打印到内核态的ring buffer，用户态的klogd负责读取并转发给syslogd，让它记录到磁盘。

在内核崩溃时，可能无法把消息记录到磁盘，但是ring buffer中一般会有记录。所以log命令有时候能查看

到系统日志中所缺失的信息。

 

(5) 结构体和变量

查看结构体中所有成员的值，例如：

# ps | grep RU

>     0      0   0  ffffffff81a8d020  RU   0.0       0      0  [swapper]

# struct task_struct ffffffff81a8d020

struct task_struct {  state = 0,   stack = 0xffffffff81a00000,   usage = {    counter = 2  },   flags = 2097408, 

显示整个结构体的定义：

# struct task_struct

struct task_struct {    volatile long int state;    void *stack;    atomic_t usage;    unsigned int flags;

显示整个结构体的定义，以及每个成员的偏移：

# struct -o task_struct

struct task_struct {     [0] volatile long int state;     [8] void *stack;    [16] atomic_t usage;    [20] unsigned int flags;    ...

显示结构体中的成员定义，以及它的偏移：

# struct task_struct.pid

struct task_struct {  [1192] pid_t pid;}

显示结构体中成员的值：

# struct task_struct.pid ffffffff81a8d020

  pid = 0

查看全局变量的值：

# p sysctl_tcp_rmem

sysctl_tcp_rmem = $4 =  {40960, 873800, 41943040}

 

查看percpu全局变量(加前缀per_cpu_)：

# p per_cpu__irq_stat

PER-CPU DATA TYPE:  irq_cpustat_t per_cpu__irq_stat; // 变量类型的声明PER-CPU ADDRESSES:  [0]: ffff880028216540 // 0号CPU对应变量的地址  [1]: ffff880645416540  ...

查看0号CPU对应变量的值：

# struct irq_cpustat_t ffff880028216540

struct irq_cpustat_t {  __softirq_pending = 0,   __nmi_count = 4780195,   irq0_irqs = 148,   ...

 

(6) 反汇编和源码行

反汇编：

# dis ffffffffa021ba91 // 反汇编一条指令

# dis -l probe_2093+497 10 // 反汇编从某个地址开始的10条指令

对于内核中的符号：

# sym tcp_v4_do_rcv // 通过symbol，显示虚拟地址和源码位置

# sym ffffffff8149f930 // 通过虚拟地址，显示symbol和源码位置

 

对于模块中的符号：

需要先加载相应的模块进来，才能显示符号对应的源码：

# mod // 查看模块

# mod -s module /path/to/module.ko // 加载模块

# sym symbol // 显示符号对应的模块源码，也可以用virtual address

 

(7) 修改内存

提供动态的修改运行中内核的功能，以供调试，但是RHEL和CentOS上不允许。

wr：modifies the contents of memory.

wr [-u | -k | -p] [-8 | -16 | -32 | -64] [address | symbol] value

 

使用例子：

# p sysctl_tcp_timestamps

sysctl_tcp_timestamps = $3 = 1

# wr sysctl_tcp_timestamps 0

wr: cannot write to /dev/crash!

我勒个擦，/dev/crash的文件属性是rw，但是crash_fops中并没有提供写函数，所以还是只读的。

这个功能很有用，但被RHEL和CentOS禁止了，所以如需动态修改运行内核还是用systemtap吧。

 

Reference

 

[1]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-kdump1/

[2]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-kdump2/

[3]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-kdump3/

[4]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-kdump4/

[5]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-dumpanalyse/

[6]. http://people.redhat.com/anderson/crash_whitepaper/