使用 GDB + Qemu 调试 Linux 内核
使用 GDB + Qemu 调试 Linux 内核
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1. 概述
在某些情况下，我们需要对于内核中的流程进行分析，虽然通过 BPF 的技术可以对于函数传入的参数和返回结果进行展示，但是在流程的调试上还是不如直接 GDB 单步调试来的直接。本文采用的编译方式如下，在一台 16 核 CentOS 7.7 的机器上进行内核源码相关的编译（主要是考虑编译效率），调试则是基于 VirtualBox 的 Ubuntu 20.04 系统中，采用 Qemu + GDB 进行单步调试，网上查看了很多文章，在最终进行单步跟踪的时候，始终不能够在断点处停止，进行过多次尝试和查询文档，最终发现需要在内核启动参数上添加 nokaslr ，本文是对整个搭建过程的总结。
2. Linux 内核编译和文件系统制作
Linux 内核编译
编译内核和制作文件系统在 CentOS 7.7 的机器上。源码从国内清华的源下载：http://ftp.sjtu.edu.cn/sites/ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/， 此处选择 linux-4.19.172.tar.gz 版本。详细编译步骤如下：
$ sudo yum group install "Development Tools"
$ yum install ncurses-devel bison flex elfutils-libelf-devel openssl-devel
$ wget http://ftp.sjtu.edu.cn/sites/ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.19.172.tar.gz
$ tar xzvf linux-4.19.172.tar.gz
$ cd linux-4.19.172/
$ make menuconfig
在内核编译选项中，开启如下 “Compile the kernel with debug info”， 4.19.172 中默认已经选中：
Kernel hacking —> Compile-time checks and compiler options —> [ ] Compile the kernel with debug info
以上配置完成后会在当前目录生成 .config 文件，我们可以使用 grep 进行验证：
# grep CONFIG_DEBUG_INFO .config
CONFIG_DEBUG_INFO=y
接着我们进行内核编译：
$ nproc # 查看当前的系统核数
$ make -j 12 # 或者采用 make bzImage 进行编译， -j N，表示使用多少核并行编译
# 未压缩的内核文件，这个在 gdb 的时候需要加载，用于读取 symbol 符号信息，由于包含调试信息所以比较大
$ ls -hl vmlinux
-rwxr-xr-x 1 root root 449M Feb 3 14:46 vmlinux
# 压缩后的镜像文件
$ ls -hl ./arch/x86_64/boot/bzImage
lrwxrwxrwx 1 root root 22 Feb 3 14:47 ./arch/x86_64/boot/bzImage -> ../../x86/boot/bzImage
$ ls -hl ./arch/x86/boot/bzImage
-rw-r--r-- 1 root root 7.6M Feb 3 14:47 ./arch/x86/boot/bzImage
不同发行版本下的内核的详细编译文档可以参考这里[1]。
启动内存文件系统制作
# 首先安装静态依赖，否则会有报错，参见后续的排错章节
$ yum install -y glibc-static.x86_64 -y
$ wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.32.1.tar.bz2
$ tar -xvf busybox-1.32.1.tar.bz2
$ cd busybox-1.32.1/
$ make menuconfig
# 安装完成后生成的相关文件会在 _install 目录下
$ make && make install
$ cd _install
$ mkdir proc
$ mkdir sys
$ touch init
# init 内容见后续章节，为内核启动的初始化程序
$ vim init
# 必须设置成可执行文件
$ chmod +x init
$ find . | cpio -o --format=newc > ./rootfs.img
cpio: File ./rootfs.img grew, 2758144 new bytes not copied
10777 blocks
$ ls -hl rootfs.img
-rw-r--r-- 1 root root 5.3M Feb 2 11:23 rootfs.img
其中上述的 init 文件内容如下，打印启动日志和系统的整个启动过程花费的时间：
#!/bin/sh
echo "{==DBG==} INIT SCRIPT"
mkdir /tmp
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t debugfs none /sys/kernel/debug
mount -t tmpfs none /tmp
mdev -s
echo -e "{==DBG==} Boot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds"
# normal user
setsid /bin/cttyhack setuidgid 1000 /bin/sh
到此为止我们已经编译了好了 Linux 内核（vmlinux 和 bzImage）和启动的内存文件系统（rootfs.img）。
错误排查
在编译过程中出现以下报错：
/bin/ld: cannot find -lcrypt
/bin/ld: cannot find -lm
/bin/ld: cannot find -lresolv
/bin/ld: cannot find -lrt
collect2: error: ld returned 1 exit status
Note: if build needs additional libraries, put them in CONFIG_EXTRA_LDLIBS.
Example: CONFIG_EXTRA_LDLIBS="pthread dl tirpc audit pam"
出错的原因是因为我们采用静态编译依赖的底层库没有安装，如果不清楚这些库有哪些 rpm 安装包提供，则可以通过 yum provides 命令查看，然后安装相关依赖包重新编译即可。
$ yum provides */libm.a
// ...
glibc-static-2.17-317.el7.x86_64 : C library static libraries for -static linking.
Repo : base
Matched from:
Filename : /usr/lib64/libm.a
3. Qemu 启动内核
在上述步骤准备好以后，我们需要在调试的 Ubuntu 20.04 的系统中安装 Qemu 工具，其中调测的 Ubuntu 系统使用 VirtualBox 安装。
$ apt install qemu qemu-utils qemu-kvm virt-manager libvirt-daemon-system libvirt-clients bridge-utils
把上述编译好的 vmlinux、bzImage、rootfs.img 和编译的源码拷贝到我们当前 Unbuntu 机器中。
拷贝 Linux 编译的源码主要是在 gdb 的调试过程中查看源码，其中 vmlinux 和 linux 源码处于相同的目录，本例中 vmlinux 位于 linux-4.19.172 源目录中。
$ qemu-system-x86_64 -kernel ./bzImage -initrd ./rootfs.img -append "nokaslr console=ttyS0" -s -S -nographic
使用上述命令启动调试，启动后会停止在界面处，并等待远程 gdb 进行调试，在使用 GDB 调试之前，可以先使用以下命令进程测试内核启动是否正常。
$ qemu-system-x86_64 -kernel ./bzImage -initrd ./rootfs.img -append "nokaslr console=ttyS0" -nographic
其中命令行中各参数如下：
-kernel ./bzImage：指定启用的内核镜像；-initrd ./rootfs.img：指定启动的内存文件系统；-append "nokaslr console=ttyS0"：附加参数，其中nokaslr参数必须添加进来，防止内核起始地址随机化，这样会导致 gdb 断点不能命中；参数说明可以参见这里[2]。-s：监听在 gdb 1234 端口；-S：表示启动后就挂起，等待 gdb 连接；-nographic：不启动图形界面，调试信息输出到终端与参数console=ttyS0组合使用；
4. GDB 调试
在使用 qemu-system-x86_64 命令启动内核以后，进入到我们从编译机器上拷贝过来的 Linux 内核源代码目录中，在另外一个终端我们来启动 gdb 命令：
[linux-4.19.172]$ gdb
(gdb) file vmlinux # vmlinux 位于目录 linux-4.19.172 中
(gdb) target remote :1234
(gdb) break start_kernel # 有些文档建议使用 hb 硬件断点，我在本地测试使用 break 也是 ok 的
(gdb) c # 启动调试，则内核会停止在 start_kernel 函数处
整体运行界面如下：
5. Eclipse 图像化调试
我们可以通过 eclipse-cdt 进行可视化项目调试。
”File“ -> “New” -> “Project” ，然后选择 ”Makefile Project with Existing Code“ 选项，后续按照向导导入代码。
在 “Run” -> “Debug Configurations” 选项中，创建一个 ”C/C++ Attach to Application“ 的调试选项。
- Project：选择我们刚才创建的项目名字；
- C/C++ Application：选择编译 Linux 内核带符号信息表的 vmlinux；
- Build before launching：选择 ”Disable auto build“；
- Debugger：选择 gdbserver，具体设置如下图；
- 在 Debugger 中的 Connection 信息中选择 ”TCP“，并填写端口为 ”1234“；
启动 Debug 调试，即可看到与 gdb 类似的窗口。
启动 ”Debug“ 调试以后的窗口如下，在 Debug 窗口栏中，设置与 gdb 调试相同的步骤即可。
6. 参考
- How to compile and install Linux Kernel 5.6.9 from source code[3]
- 用 qemu + gdb 调试 linux 内核[4] ***
- QEMU+busybox 搭建 Linux 内核运行环境[5] ***
- QEMU+gdb 调试 Linux 内核全过程[6] *
- linux 内核编译与调试方法[7]
- How to Build A Custom Linux Kernel For Qemu (2015 Edition)[8]
- qemu 与 qemu-kvm 到底什么区别[9]
- 在 qemu 环境中用 gdb 调试 Linux 内核[10] *
参考资料
[1]
这里: https://www.cyberciti.biz/tips/compiling-linux-kernel-26.html
[2]
这里: https://www.zhihu.com/question/270476360
[3]
How to compile and install Linux Kernel 5.6.9 from source code: https://www.cyberciti.biz/tips/compiling-linux-kernel-26.html
[4]
用 qemu + gdb 调试 linux 内核: https://www.jianshu.com/p/431d606d322c
[5]
QEMU+busybox 搭建 Linux 内核运行环境: https://www.sunxiaokong.xyz/2020-01-14/lzx-linuxkernel-qemuinit/
[6]
QEMU+gdb 调试 Linux 内核全过程: https://blog.csdn.net/jasonLee_lijiaqi/article/details/80967912
[7]
linux 内核编译与调试方法: https://www.cnblogs.com/syw-casualet/p/5271369.html
[8]
How to Build A Custom Linux Kernel For Qemu (2015 Edition): http://mgalgs.github.io/2015/05/16/how-to-build-a-custom-linux-kernel-for-qemu-2015-edition.html
[9]
qemu 与 qemu-kvm 到底什么区别: https://www.cnblogs.com/hugetong/p/8808544.html
[10]
在 qemu 环境中用 gdb 调试 Linux 内核: https://www.cnblogs.com/wipan/p/9264979.html
原文链接：https://www.ebpf.top/post/qemu_gdb_busybox_debug_kernel/