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1. 概述

在某些情況下，我們需要對(duì)于內(nèi)核中的流程進(jìn)行分析，雖然通過(guò) BPF 的技術(shù)可以對(duì)于函數(shù)傳入的參數(shù)和返回結(jié)果進(jìn)行展示，但是在流程的調(diào)試上還是不如直接 GDB 單步調(diào)試來(lái)的直接。本文采用的編譯方式如下，在一臺(tái) 16 核 CentOS 7.7 的機(jī)器上進(jìn)行內(nèi)核源碼相關(guān)的編譯（主要是考慮編譯效率），調(diào)試則是基于 VirtualBox 的 Ubuntu 20.04 系統(tǒng)中，采用 Qemu + GDB 進(jìn)行單步調(diào)試，網(wǎng)上查看了很多文章，在最終進(jìn)行單步跟蹤的時(shí)候，始終不能夠在斷點(diǎn)處停止，進(jìn)行過(guò)多次嘗試和查詢文檔，最終發(fā)現(xiàn)需要在內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)上添加?nokaslr?，本文是對(duì)整個(gè)搭建過(guò)程的總結(jié)。

2. Linux 內(nèi)核編譯和文件系統(tǒng)制作

2.1 Linux 內(nèi)核編譯

編譯內(nèi)核和制作文件系統(tǒng)在 CentOS 7.7 的機(jī)器上。源碼從國(guó)內(nèi)清華的源下載：http://ftp.sjtu.edu.cn/sites/ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/，此處選擇 linux-4.19.172.tar.gz 版本。詳細(xì)編譯步驟如下：

$?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

在內(nèi)核編譯選項(xiàng)中，開啟如下 “Compile the kernel with debug info”， 4.19.172 中默認(rèn)已經(jīng)選中：

Kernel hacking —> Compile-time checks and compiler options —> [ ] Compile the kernel with debug info

以上配置完成后會(huì)在當(dāng)前目錄生成?.config?文件，我們可以使用?grep?進(jìn)行驗(yàn)證：

#?grep?CONFIG_DEBUG_INFO?.config
CONFIG_DEBUG_INFO=y

接著我們進(jìn)行內(nèi)核編譯：

?$?nproc???????#?查看當(dāng)前的系統(tǒng)核數(shù)
?$?make?-j?12??#?或者采用?make?bzImage?進(jìn)行編譯，?-j?N，表示使用多少核并行編譯
?
?#?未壓縮的內(nèi)核文件，這個(gè)在?gdb?的時(shí)候需要加載，用于讀取?symbol?符號(hào)信息，由于包含調(diào)試信息所以比較大
?$?ls?-hl?vmlinux?
-rwxr-xr-x?1?root?root?449M?Feb??3?14:46?vmlinux

#?壓縮后的鏡像文件?
$?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

不同發(fā)行版本下的內(nèi)核的詳細(xì)編譯文檔可以參考這里。

2.2 啟動(dòng)內(nèi)存文件系統(tǒng)制作

#?首先安裝靜態(tài)依賴，否則會(huì)有報(bào)錯(cuò)，參見后續(xù)的排錯(cuò)章節(jié)
$?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

#?安裝完成后生成的相關(guān)文件會(huì)在?_install?目錄下
$?make?&&?make?install???

$?cd?_install
$?mkdir?proc
$?mkdir?sys
$?touch?init??

#??init?內(nèi)容見后續(xù)章節(jié)，為內(nèi)核啟動(dòng)的初始化程序
$?vim?init???

#?必須設(shè)置成可執(zhí)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?文件內(nèi)容如下，打印啟動(dòng)日志和系統(tǒng)的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間：

#!/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

到此為止我們已經(jīng)編譯了好了 Linux 內(nèi)核（vmlinux 和 bzImage）和啟動(dòng)的內(nèi)存文件系統(tǒng)（rootfs.img）。

2.3 錯(cuò)誤排查

在編譯過(guò)程中出現(xiàn)以下報(bào)錯(cuò)：

/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"

出錯(cuò)的原因是因?yàn)槲覀儾捎渺o態(tài)編譯依賴的底層庫(kù)沒(méi)有安裝，如果不清楚這些庫(kù)有哪些 rpm 安裝包提供，則可以通過(guò)?yum provides?命令查看，然后安裝相關(guān)依賴包重新編譯即可。

$?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 啟動(dòng)內(nèi)核

在上述步驟準(zhǔn)備好以后，我們需要在調(diào)試的 Ubuntu 20.04 的系統(tǒng)中安裝 Qemu 工具，其中調(diào)測(cè)的 Ubuntu 系統(tǒng)使用 VirtualBox 安裝。

$?apt?install?qemu?qemu-utils?qemu-kvm?virt-manager?libvirt-daemon-system?libvirt-clients?bridge-utils

把上述編譯好的 vmlinux、bzImage、rootfs.img 和編譯的源碼拷貝到我們當(dāng)前 Unbuntu 機(jī)器中。

拷貝 Linux 編譯的源碼主要是在 gdb 的調(diào)試過(guò)程中查看源碼，其中 vmlinux 和 linux 源碼處于相同的目錄，本例中 vmlinux 位于 linux-4.19.172 源目錄中。

$?qemu-system-x86_64?-kernel?./bzImage?-initrd??./rootfs.img?-append?"nokaslr?console=ttyS0"?-s?-S?-nographic

使用上述命令啟動(dòng)調(diào)試，啟動(dòng)后會(huì)停止在界面處，并等待遠(yuǎn)程 gdb 進(jìn)行調(diào)試，在使用 GDB 調(diào)試之前，可以先使用以下命令進(jìn)程測(cè)試內(nèi)核啟動(dòng)是否正常。

qemu-system-x86_64?-kernel?./bzImage?-initrd??./rootfs.img?-append?"nokaslr?console=ttyS0"?-nographic

其中命令行中各參數(shù)如下：

-kernel ./bzImage：指定啟用的內(nèi)核鏡像；
-initrd ./rootfs.img：指定啟動(dòng)的內(nèi)存文件系統(tǒng)；
-append "nokaslr console=ttyS0"?：附加參數(shù)，其中?nokaslr?參數(shù)必須添加進(jìn)來(lái)，防止內(nèi)核起始地址隨機(jī)化，這樣會(huì)導(dǎo)致 gdb 斷點(diǎn)不能命中；參數(shù)說(shuō)明可以參見這里。
-s?：監(jiān)聽在 gdb 1234 端口；
-S?：表示啟動(dòng)后就掛起，等待 gdb 連接；
-nographic：不啟動(dòng)圖形界面，調(diào)試信息輸出到終端與參數(shù)?console=ttyS0?組合使用；

4. GDB 調(diào)試

在使用?qemu-system-x86_64?命令啟動(dòng)內(nèi)核以后，進(jìn)入到我們從編譯機(jī)器上拷貝過(guò)來(lái)的 Linux 內(nèi)核源代碼目錄中，在另外一個(gè)終端我們來(lái)啟動(dòng) gdb 命令：

[linux-4.19.172]$?gdb?
(gdb)?file?vmlinux???????????#?vmlinux?位于目錄?linux-4.19.172?中
(gdb)?target?remote?:1234
(gdb)?break?start_kernel?????#?有些文檔建議使用?hb?硬件斷點(diǎn)，我在本地測(cè)試使用?break?也是?ok?的
(gdb)?c????????????         ?#?啟動(dòng)調(diào)試，則內(nèi)核會(huì)停止在?start_kernel?函數(shù)處

整體運(yùn)行界面如下：