【Linux 命令】内核、驱动调试手段总结

news2024/12/23 12:42:40

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文章目录

  • 1. printk
  • 2. strace
  • 3. Itrace
  • 4. ptrace
  • 5. ftrace
  • 6. 动态打印
  • 7. perf
  • 8. devmem
  • 9. demsg
  • 参考：

1. printk

**printk()**是 Linux 内核中最广为人知的函数之一。它是我们打印消息的标准工具，通常也是追踪和调试的最基本方法。

虽然 printk() 是基于 printf(3) 的，但在功能上仍有一些不同：

  • printk() 消息可以指定日志级别；
  • 格式字符串虽然与C99基本兼容，但并不遵循完全相同的规范。它有一些扩展和一些限制（没有 %n 或浮点转换指定符）。

所有的 printk() 消息都会被打印到内核日志缓冲区，这是一个通过 /dev/kmsg 输出到用户空间的环形缓冲区。读取它的通常方法是使用 dmesg 。

printk() 的用法通常是这样的：

printk(KERN_INFO "Message: %s\n", arg);

其中 KERN_INFO 是日志级别（注意，它与格式字符串连在一起，日志级别不是一个单独的参数）。可用的日志级别是：
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日志级别指定了一条消息的重要性。内核根据日志级别和当前 console_loglevel （一个内核变量）决 定是否立即显示消息（将其打印到当前控制台）。如果消息的优先级比 console_loglevel 高（日志级 别值较低），消息将被打印到控制台。

如果省略了日志级别，则以 KERN_DEFAULT 级别打印消息。

你可以用以下方法检查当前的 console_loglevel：
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要改变当前的 console_loglevel，只需在 /proc/sys/kernel/printk 中写入所需的 级别。例如，要打印所有的消息到控制台上：
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或者，使用另一种方式：
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作为 printk() 的替代方案，也可以使用 pr_*() 别名来记录日志。这个系列的宏在宏名中嵌入了日志级别。例如：

pr_info("Info message no. %d\n", msg_num);

打印 KERN_INFO 消息。

除了比等效的 printk() 调用更简洁之外，它们还可以通过 pr_fmt() 宏为格式字符串使用一个通用的定义。例如，在源文件的顶部（在任何 #include 指令之前）定义这样的内容：

#define pr_fmt(fmt) "%s:%s: " fmt, KBUILD_MODNAME, __func__

会在该文件中的每一条 pr_*() 消息前加上发起该消息的模块和函数名称。

为了调试，还有两个有条件编译的宏： pr_debug() 和 pr_devel()，除非定义了 DEBUG (或者在pr_debug()的情况下定义了 CONFIG_DYNAMIC_DEBUG )，否则它们不会被编译。

2. strace

strace常用来跟踪进程执行时的系统调用和接收所接收的信号，在Linux中，进程不能直接访问硬件设备，当进程需要访问硬件设备的时候（如读取磁盘，接收网络数据的时候），必须由用户态模式切换至内核态模式，通过系统调用访问硬件设备。strace可以跟踪到一个进程产生的系统调用，包括参数，返回值，执行消耗的时间。
作者：荷叶的莲藕
链接：https://www.jianshu.com/p/6b39a5dacea0
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

strace的特性：

  • 分析一个已经运行的进程
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  • 打印与文件描述符相关联的路径和更多信息
    TBD.

  • 按系统调用类型筛选
    在这里插入图片描述

  • 仅追踪访问指定路径的系统调用
    在这里插入图片描述

  • 对从文件描述符读取或写入的所有数据进行完整的十六进制和ASCII转储
    TBD.

  • 执行系统调用故障注入
    TBD.

  • 计算每个系统调用的时间、调用次数和错误次数
    在这里插入图片描述

常用参数：

-c 统计每一系统调用的所执行的时间，次数和出错的次数等。 
-d 输出 strace 关于标准错误的调试信息。
-f 跟踪由 fork 调用所产生的子进程。 
-ff 如果提供-o filename，则所有进程的跟踪结果输出到相应的 filename.pid 中，pid 是各进程的进程号。 
-F 尝试跟踪 vfork 调用；在 -f 时，vfork不被跟踪。
-h 输出简要的帮助信息。
-i 输出系统调用的入口指针。 
-q 禁止输出关于脱离的消息。
-r 打印出相对时间关于，每一个系统调用。 
-t 在输出中的每一行前加上时间信息。
-tt 在输出中的每一行前加上时间信息，微秒级。 
-ttt 微秒级输出，以秒了表示时间。
-T 显示每一调用所耗的时间。 
-v 输出所有的系统调用。一些调用关于环境变量、状态、输入输出等调用由于使用频繁，默认不输出。 
-V 输出 strace 的版本信息。
-x 以十六进制形式输出非标准字符串。 
-xx 所有字符串以十六进制形式输出。
-a column 
设置返回值的输出位置，默认为40。 
-e expr 
指定一个表达式,用来控制如何跟踪，格式如下： 
[qualifier=][!]value1[,value2]... 
qualifier只能是 trace,abbrev,verbose,raw,signal,read,write其中之一。value是用来限定的符号或数字。默认的 qualifier 是 trace。感叹号是否定符号。例如： 
-eopen 等价于 -e trace=open，表示只跟踪 open 调用。而-etrace!=open表示跟踪除了open 以外的其他调用。有两个特殊的符号 all 和 none。 
注意有些 shell 使用!来执行历史记录里的命令，所以要使用\\。 
-e trace=set 
只跟踪指定的系统调用。例如：-e trace=open，close，rean，write表示只跟踪这四个系统调用。默认的为set=all。 
-e trace=file 
只跟踪有关文件操作的系统调用。 
-e trace=process 
只跟踪有关进程控制的系统调用。
-e trace=network 
跟踪与网络有关的所有系统调用。
-e strace=signal 
跟踪所有与系统信号有关的系统调用。 
-e trace=ipc 
跟踪所有与进程通讯有关的系统调用。
-e abbrev=set 
设定 strace 输出的系统调用的结果集。-v 等与 abbrev=none。默认为abbrev=all。 
-e raw=set 
将指定的系统调用的参数以十六进制显示。 
-e signal=set 
指定跟踪的系统信号。默认为all。如signal=!SIGIO(或者signal=!io)，表示不跟踪SIGIO信号。 
-e read=set 
输出从指定文件中读出的数据。例如： 
-e read=3，5 
-e write=set 
输出写入到指定文件中的数据。 
-o filename 
将strace的输出写入文件filename。
-p pid 
跟踪指定的进程pid。
-s strsize 
指定输出的字符串的最大长度。默认为32.文件名一直全部输出。 
-u username 
以 username 的UID和GID执行被跟踪的命令。

作者：荷叶的莲藕
链接：https://www.jianshu.com/p/6b39a5dacea0
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

3. Itrace

TBD.

4. ptrace

TBD.

5. ftrace

TBD.

6. 动态打印

TBD.

7. perf

perf 命令也被称为 perf_events。
perf 是一个功能强大的工具：它可以用来测量 CPU 性能计数器、跟踪点、内核探针（kprobes）和用户空间探针（uprobes，即动态跟踪）。它可以进行轻量级的性能分析。这个工具包含在 Linux 内核的 tools/perf 目录下，并且经常得到更新和增强。

perf 最初是作为在 Linux 中使用性能计数器子系统的工具而出现的，之后得到了各种增强以添加跟踪能力。

性能计数器是 CPU 的硬件寄存器，用于计数硬件事件，如执行的指令数、遭遇的缓存未命中数或分支预测错误数。它们是应用程序性能分析的基础，用于追踪动态控制流并识别热点。perf 提供了对硬件特定能力的丰富和通用的抽象。其中，它提供了按任务、按 CPU 和按工作负载的计数器，在这些计数器之上的采样，以及源代码事件注释。

跟踪点是放置在代码逻辑位置上的仪器化点，如系统调用、TCP/IP事件、文件系统操作等。当不使用这些跟踪点时，它们的开销可以忽略不计，并且可以通过 perf 命令启用它们以收集信息，包括时间戳和堆栈跟踪。perf 还可以使用 kprobes 和 uprobes 框架动态创建跟踪点，用于内核和用户空间的动态跟踪。这些可能性是无穷的。

用户空间的 perf 命令提供了一个简单易用的接口，包含如下命令：

  • perf stat：获取事件计数。当我们接到一个性能优化任务时，最好采用自顶向下的策略。先整体看看该程序运行时各种统计事件的汇总数据，再针对某些方向深入处理细节，而不要立即深入处理琐碎的细节，这样可能会一叶障目。有些程序运行得慢是因为计算量太大，其多数时间在使用 CPU 进行计算，这类程序叫作 CPU-Boud型；而有些程序运行得慢是因为过多的 I/O，这时其 CPU 利用率应该不高，这类程序叫作 I/O-Bound 型。对 CPU-Bound 型程序的调优和 I/O-Bound 型的调优是不同的。
    • - a：显示所有CPU上的统计信息
    • - c：显示指定CPU上的统计信息
    • - e：指定要显示的事件
    • - p：指定要显示的进程ID
  • perf record：记录事件以供后续perf report分析、报告
    • - e：选择一个事件，可以是硬件事件也可以是软件事件
    • - a：全系统范围的数据采集
    • - p：指定一个进程的 ID 来采集特定进程的数据
    • - o：指定要写入采集数据的数据文件
    • - g：使能函数调用图功能
    • - C：只采集某个 CPU 的数据
  • perf report：按进程、函数等分解，perf revord记录的事件数据
    • - i：导入的数据文件名称，默认为perf.data
    • - g：生成函数调用关系图
    • – sort：分类统计信息，如PID、COMM、CPU等
  • perf annotate：用事件计数注释汇编或源代码
  • perf top：查看实时事件计数，类似 Linux 系统中的 top 命令，可以实时分析系统性能瓶颈。
    • - e：指定要分析的性能事件
    • - p：仅分析目标进程
    • - k：指定带符号表信息的内核映射路径
    • - K：不显示内核或者内核模块的符号
    • - U：不显示属于用户态程序的符号
    • - g：显示函数调用关系图
  • perf bench：运行不同的内核微基准测试

事件（event）来源：

  • Hardware event：由PMU产生的事件，如L1缓存命中等。
  • Software event：由内核产生的事件，如进程切换等。
  • Tracepoints event：由内核静态跟踪点所触发的事件。

在kernel中添加perf编译：
make menuconfig
General setup —>
Kernel Performance Events And Counters —>
[*] Debug: use vmalloc to back perf mmap() buffers

8. devmem

TBD.

9. demsg

TBD.

参考：

【1】使用printk记录消息
【2】Linux内核基础篇——printk调试
【3】strace官网
【4】Linux神器strace的使用方法及实践
【5】strace命令详解
【6】Strace使用指南
【7】perf: Linux profiling with performance counters
【8】CoreSight - Perf
【9】如何使用perf进行性能优化
【10】Linux内核，perf性能分析工具应用实战，FlameGraph(火焰图生成)
【11】嵌入式设备交叉编译perf性能分析工具
【12】Linux内核，perf性能分析工具应用实战，FlameGraph(火焰图生成)
【13】如何给嵌入式Linux构建一个支持多特性的perf
【14】学会使用perf性能分析工具（含移植到arm-linux开发板）

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