使用 GDB + Qemu 调试 Linux 内核-技术圈

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

2.1 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。

2.2 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）。

2.3 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。
-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：