4.2. 用打印调试
最后更新于：2022-04-01 02:56:49
## 4.2. 用打印调试
最常用的调试技术是监视, 在应用程序编程当中是通过在合适的地方调用 printf 来实现. 在你调试内核代码时, 你可以通过 printk 来达到这个目的.
### 4.2.1. printk
我们在前面几章中使用 printk 函数, 简单地假设它如同 printf 一样使用. 现在到时候介绍一些不同的地方了.
一个不同是 printk 允许你根据消息的严重程度对其分类, 通过附加不同的记录级别或者优先级在消息上. 你常常用一个宏定义来指示记录级别. 例如, KERN_INFO, 我们之前曾在一些打印语句的前面看到过, 是消息记录级别的一种可能值. 记录宏定义扩展成一个字串, 在编译时与消息文本连接在一起; 这就是为什么下面的在优先级和格式串之间没有逗号的原因. 这里有 2 个 printk 命令的例子, 一个调试消息, 一个紧急消息:
~~~
printk(KERN_DEBUG "Here I am: %s:%i\n", __FILE__, __LINE__);
printk(KERN_CRIT "I'm trashed; giving up on %p\n", ptr);
~~~
有 8 种可能的记录字串, 在头文件 <linux/kernel.h> 里定义; 我们按照严重性递减的顺序列出它们:
KERN_EMERG
用于紧急消息, 常常是那些崩溃前的消息.
KERN_ALERT
需要立刻动作的情形.
KERN_CRIT
严重情况, 常常与严重的硬件或者软件失效有关.
KERN_ERR
用来报告错误情况; 设备驱动常常使用 KERN_ERR 来报告硬件故障.
KERN_WARNING
有问题的情况的警告, 这些情况自己不会引起系统的严重问题.
KERN_NOTICE
正常情况, 但是仍然值得注意. 在这个级别一些安全相关的情况会报告.
KERN_INFO
信息型消息. 在这个级别, 很多驱动在启动时打印它们发现的硬件的信息.
KERN_DEBUG
用作调试消息.
每个字串( 在宏定义扩展里 )代表一个在角括号中的整数. 整数的范围从 0 到 7, 越小的数表示越大的优先级.
一条没有指定优先级的 printk 语句缺省是 DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL, 在 kernel/printk.c 里指定作为一个整数. 在 2.6.10 内核中, DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL 是 KERN_WARNING, 但是在过去已知是改变的.
基于记录级别, 内核可能打印消息到当前控制台, 可能是一个文本模式终端, 串口, 或者是一台并口打印机. 如果优先级小于整型值 console_loglevel, 消息被递交给控制台, 一次一行( 除非提供一个新行结尾, 否则什么都不发送 ). 如果 klogd 和 syslogd 都在系统中运行, 内核消息被追加到 /var/log/messages (或者另外根据你的 syslogd 配置处理), 独立于 console_loglevel. 如果 klogd 没有运行, 你只有读 /proc/kmsg ( 用 dmsg 命令最易做到 )将消息取到用户空间. 当使用 klogd 时, 你应当记住, 它不会保存连续的同样的行; 它只保留第一个这样的行, 随后是, 它收到的重复行数.
变量 console_loglevel 初始化成 DEFAULT_CONSOLE_LOGLEVEL, 并且可通过 sys_syslog 系统调用修改. 一种修改它的方法是在调用 klogd 时指定 -c 开关, 在 klogd 的 manpage 里有指定. 注意要改变当前值, 你必须先杀掉 klogd, 接着使用 -c 选项重启它. 另外, 你可写一个程序来改变控制台记录级别. 你会发现这样一个程序的版本在由 O' Reilly 提供的 FTP 站点上的 miscprogs/setlevel.c. 新的级别指定未一个整数, 在 1 和 8 之前, 包含 1 和 8. 如果它设为 1, 只有 0 级消息( KERN_EMERG )到达控制台; 如果它设为 8, 所有消息, 包括调试消息, 都显示.
也可以通过文本文件 /proc/sys/kernel/printk 读写控制台记录级别. 这个文件有 4 个整型值: 当前记录级别, 适用没有明确记录级别的消息的缺省级别, 允许的最小记录级别, 以及启动时缺省记录级别. 写一个单个值到这个文件就改变当前记录级别成这个值; 因此, 例如, 你可以使所有内核消息出现在控制台, 通过简单地输入:
~~~
# echo 8 > /proc/sys/kernel/printk
~~~
现在应当清楚了为什么 hello.c 例子使用 KERN_ALERT 标志; 它们是要确保消息会出现在控制台上.
### 4.2.2. 重定向控制台消息
Linux 在控制台记录策略上允许一些灵活性, 它允许你发送消息到一个指定的虚拟控制台(如果你的控制台使用的是文本屏幕). 缺省地, 这个"控制台"是当前虚拟终端. 为了选择一个不同地虚拟终端来接收消息, 你可对任何控制台设备调用 ioctl(TIOCLINUX). 下面的程序, setconsole, 可以用来选择哪个控制台接收内核消息; 它必须由超级用户运行, 可以从 misc-progs 目录得到.
下面是全部程序. 应当使用一个参数来指定用以接收消息的控制台的编号.
~~~
int main(int argc, char **argv)
{
char bytes[2] = {11,0}; /* 11 is the TIOCLINUX cmd number */
if (argc==2) bytes[1] = atoi(argv[1]); /* the chosen console */
else {
fprintf(stderr, "%s: need a single arg\n",argv[0]); exit(1); } if (ioctl(STDIN_FILENO, TIOCLINUX, bytes)<0) { /* use stdin */
fprintf(stderr,"%s: ioctl(stdin, TIOCLINUX): %s\n",
argv[0], strerror(errno));
exit(1);
}
exit(0);
}
~~~
setconsole 使用特殊的 ioctl 命令 TIOCLINUX, 来实现特定于 linux 的功能. 为使用 TIOCLINUX, 你传递它一个指向字节数组的指针作为参数. 数组的第一个字节是一个数, 指定需要的子命令, 下面的字节是特对于子命令的. 在 setconsole 里, 使用子命令 11, 下一个字节(存于 bytes[1])指定虚拟控制台. TIOCLINUX 的完整描述在内核源码的 drivers/char/tty_io.c 里.
### 4.2.3. 消息是如何记录的
printk 函数将消息写入一个 __LOG_BUF_LEN 字节长的环形缓存, 长度值从 4 KB 到 1 MB, 由配置内核时选择. 这个函数接着唤醒任何在等待消息的进程, 就是说, 任何在系统调用中睡眠或者在读取 /proc/kmsg 的进程. 这 2 个日志引擎的接口几乎是等同的, 但是注意, 从 /proc/kmsg 中读取是从日志缓存中消费数据, 然而 syslog 系统调用能够选择地在返回日志数据地同时保留它给其他进程. 通常, 读取 /proc 文件容易些并且是 klogd 的缺省做法. dmesg 命令可用来查看缓存的内容, 不会冲掉它; 实际上, 这个命令将缓存区的整个内容返回给 stdout, 不管它是否已经被读过.
在停止 klogd 后, 如果你偶尔手工读取内核消息, 你会发现 /proc 看起来象一个 FIFO, 读者阻塞在里面, 等待更多数据. 显然, 你无法以这种方式读消息, 如果 klogd 或者其他进程已经在读同样的数据, 因为你要竞争它.
如果环形缓存填满, printk 绕回并在缓存的开头增加新数据, 覆盖掉最老的数据. 因此, 这个记录过程会丢失最老的数据. 这个问题相比于使用这样一个环形缓存的优点是可以忽略的. 例如, 环形缓存允许系统即便没有一个日志进程也可运行, 在没有人读它的时候可以通过覆盖旧数据浪费最少的内存. Linux 对于消息的解决方法的另一个特性是, printk 可以从任何地方调用, 甚至从一个中断处理里面, 没有限制能打印多少数据. 唯一的缺点是可能丢失一些数据.
如果 klogd 进程在运行, 它获取内核消息并分发给 syslogd, syslogd 接着检查 /etc/syslog.conf 来找出如何处理它们. syslogd 根据一个设施和一个优先级来区分消息; 这个设施和优先级的允许值在 <sys/syslog.h> 中定义. 内核消息由 LOG_KERN 设施来记录, 在一个对应于 printk 使用的优先级上(例如, LOG_ERR 用于 KERN_ERR 消息). 如果 klogd 没有运行, 数据保留在环形缓存中直到有人读它或者缓存被覆盖.
如果你要避免你的系统被来自你的驱动的监视消息击垮, 你或者给 klogd 指定一个 -f (文件) 选项来指示它保存消息到一个特定的文件, 或者定制 /etc/syslog.conf 来适应你的要求. 但是另外一种可能性是采用粗暴的方式: 杀掉 klogd 和详细地打印消息在一个没有用到的虚拟终端上,[[13](#)] 或者从一个没有用到的 xterm 上发出命令 cat /proc/kmsg.
### 4.2.4. 打开和关闭消息
在驱动开发的早期, printk 非常有助于调试和测试新代码. 当你正式发行驱动时, 换句话说, 你应当去掉, 或者至少关闭, 这些打印语句. 不幸的是, 你很可能会发现, 就在你认为你不再需要这些消息并去掉它们时, 你要在驱动中实现一个新特性(或者有人发现了一个 bug), 你想要至少再打开一个消息. 有几个方法来解决这 2 个问题, 全局性地打开或关闭你地调试消息和打开或关闭单个消息.
这里我们展示一种编码 printk 调用的方法, 你可以单独或全局地打开或关闭它们; 这个技术依靠定义一个宏, 在你想使用它时就转变成一个 printk (或者 printf)调用.
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每个 printk 语句可以打开或关闭, 通过去除或添加单个字符到宏定义的名子.
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所有消息可以马上关闭, 通过在编译前改变 CFLAGS 变量的值.
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同一个 print 语句可以在内核代码和用户级代码中使用, 因此对于格外的消息, 驱动和测试程序能以同样的方式被管理.
下面的代码片断实现了这些特性, 直接来自头文件 scull.h:
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#undef PDEBUG /* undef it, just in case */
#ifdef SCULL_DEBUG
# ifdef __KERNEL__
/* This one if debugging is on, and kernel space */
# define PDEBUG(fmt, args...) printk( KERN_DEBUG "scull: " fmt, ## args)
# else
/* This one for user space */
# define PDEBUG(fmt, args...) fprintf(stderr, fmt, ## args)
# endif
#else
# define PDEBUG(fmt, args...) /* not debugging: nothing */
#endif
#undef PDEBUGG #define PDEBUGG(fmt, args...) /* nothing: it's a placeholder */
~~~
符号 PDEBUG 定义和去定义, 取决于 SCULL_DEBUG 是否定义, 和以何种方式显示消息适合代码运行的环境: 当它在内核中就使用内核调用 printk, 在用户空间运行就使用 libc 调用 fprintf 到标准错误输出. PDEBUGG 符号, 换句话说, 什么不作; 他可用来轻易地"注释" print 语句, 而不用完全去掉它们.
为进一步简化过程, 添加下面的行到你的 makfile 里:
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# Comment/uncomment the following line to disable/enable debugging
DEBUG = y
# Add your debugging flag (or not) to CFLAGS
ifeq ($(DEBUG),y)
DEBFLAGS = -O -g -DSCULL_DEBUG # "-O" is needed to expand inlines
else
DEBFLAGS = -O2
endif
CFLAGS += $(DEBFLAGS)
~~~
本节中出现的宏定义依赖 gcc 对 ANSI C 预处理器的扩展, 支持带可变个数参数的宏定义. 这个 gcc 依赖不应该是个问题, 因为无论如何内核固有的非常依赖于 gcc 特性. 另外, makefile 依赖 GNU 版本的 make; 再一次, 内核也依赖 GNU make, 所以这个依赖不是问题.
如果你熟悉 C 预处理器, 你可以扩展给定的定义来实现一个"调试级别"的概念, 定义不同的级别, 安排一个整数(或者位掩码)值给每个级别, 以便决定它应当多么详细.
但是每个驱动有它自己的特性和监视需求. 好的编程技巧是在灵活性和效率之间选择最好的平衡, 我们无法告诉你什么是最好的. 记住, 预处理器条件(连同代码中的常数表达式)在编译时执行, 因此你必须重新编译来打开或改变消息. 一个可能的选择是使用 C 条件句, 它在运行时执行, 因而, 能允许你在出现执行时打开或改变消息机制. 这是一个好的特性, 但是它在每次代码执行时需要额外的处理, 这样即便消息给关闭了也会影响效率. 有时这个效率损失无法接受.
本节出现的宏定义已经证明在多种情况下是有用的, 唯一的缺点是要求在任何对它的消息改变后重新编译.
### 4.2.5. 速率限制
如果你不小心, 你会发现自己用 printk 产生了上千条消息, 压倒了控制台并且, 可能地, 使系统日志文件溢出. 当使用一个慢速控制台设备(例如, 一个串口), 过量的消息速率也能拖慢系统或者只是使它不反应了. 非常难于着手于系统出错的地方, 当控制台不停地输出数据. 因此, 你应当非常注意你打印什么, 特别在驱动的产品版本以及特别在初始化完成后. 通常, 产品代码在正常操作时不应当打印任何东西; 打印的输出应当是指示需要注意的异常情况.
另一方面, 你可能想发出一个日志消息, 如果你驱动的设备停止工作. 但是你应当小心不要做过了头. 一个面对失败永远继续的傻瓜进程能产生每秒上千次的尝试; 如果你的驱动每次都打印"my device is broken", 它可能产生大量的输出, 如果控制台设备慢就有可能霸占 CPU -- 没有中断用来驱动控制台, 就算是一个串口或者一个行打印机.
在很多情况下, 最好的做法是设置一个标志说, "我已经抱怨过这个了", 并不打印任何后来的消息只要这个标志设置着. 然而, 有几个理由偶尔发出一个"设备还是坏的"的提示. 内核已经提供了一个函数帮助这个情况:
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int printk_ratelimit(void);
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这个函数应当在你认为打印一个可能会常常重复的消息之前调用. 如果这个函数返回非零值, 继续打印你的消息, 否则跳过它. 这样, 典型的调用如这样:
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if (printk_ratelimit())
printk(KERN_NOTICE "The printer is still on fire\n");
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printk_ratelimit 通过跟踪多少消息发向控制台而工作. 当输出级别超过一个限度, printk_ratelimit 开始返回 0 并使消息被扔掉.
printk_ratelimit 的行为可以通过修改 /proc/sys/kern/printk_ratelimit( 在重新使能消息前等待的秒数 ) 和 /proc/sys/kernel/printk_ratelimit_burst(限速前可接收的消息数)来定制.
### 4.2.6. 打印设备编号
偶尔地, 当从一个驱动打印消息, 你会想打印与感兴趣的硬件相关联的设备号. 打印主次编号不是特别难, 但是, 为一致性考虑, 内核提供了一些实用的宏定义( 在 <linux/kdev_t.h> 中定义)用于这个目的:
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int print_dev_t(char *buffer, dev_t dev);
char *format_dev_t(char *buffer, dev_t dev);
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两个宏定义都将设备号编码进给定的缓冲区; 唯一的区别是 print_dev_t 返回打印的字符数, 而 format_dev_t 返回缓存区; 因此, 它可以直接用作 printk 调用的参数, 但是必须记住 printk 只有提供一个结尾的新行才会刷行. 缓冲区应当足够大以存放一个设备号; 如果 64 位编号在以后的内核发行中明显可能, 这个缓冲区应当可能至少是 20 字节长.
[[13](#)] * 例如, 使用 setlevel 8; setconsole 10 来配置终端 10 来显示消息.