??? 摘? 要：介紹了一種精簡的內(nèi)核崩潰信息記錄技術(shù)，該技術(shù)保存函數(shù)調(diào)用鏈并有選擇地記錄函數(shù)棧內(nèi)容。記錄下的內(nèi)容可有效地分析定位問題，精簡的記錄存儲可滿足復(fù)位后快速重啟的要求。?

??? 關(guān)鍵詞： Linux內(nèi)核; 崩潰轉(zhuǎn)儲; 嵌入式系統(tǒng)

?

??? 隨著嵌入式Linux系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，尤其是涉及到生命財產(chǎn)等重要領(lǐng)域，要求系統(tǒng)達(dá)到安全完整性等級3級以上^[1]，故障率（每小時出現(xiàn)危險故障的可能性）為10^-7以下，相當(dāng)于系統(tǒng)的平均故障間隔時間（MTBF）至少要達(dá)到1141年以上，因此提高系統(tǒng)可靠性已成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對某公司在工業(yè)領(lǐng)域14 878個控制器系統(tǒng)的應(yīng)用調(diào)查表明，從2004年初到2007年9月底，隨著硬軟件的不斷改進(jìn)，根據(jù)錯誤報告統(tǒng)計(jì)的故障率已降低到2004年的五分之一以下，但查找錯誤的時間卻增加到原來的3倍以上。?

??? 這種解決問題所需時間呈上升的趨勢固然有軟件問題，但缺乏必要的手段以輔助解決問題才是主要的原因。通過對故障的統(tǒng)計(jì)跟蹤發(fā)現(xiàn)，難以解決的軟件錯誤和從發(fā)現(xiàn)到解決耗時較長的軟件錯誤都集中在操作系統(tǒng)的核心部分，這其中又有很大比例集中在驅(qū)動程序部分^[2]。因此，錯誤跟蹤技術(shù)被看成是提高系統(tǒng)安全完整性等級的一個重要措施^[1]，大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)均為發(fā)展提供了操作系統(tǒng)內(nèi)核“崩潰轉(zhuǎn)儲”機(jī)制，即在軟件系統(tǒng)宕機(jī)時，將內(nèi)存內(nèi)容保存到磁盤^[3]，或者通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到故障服務(wù)器^[3]，或者直接啟動內(nèi)核調(diào)試器^[4]等，以供事后分析改進(jìn)。?

??? 基于Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的崩潰轉(zhuǎn)儲機(jī)制近年來有以下幾種：?

??? (1) LKCD（Linux Kernel Crash Dump）機(jī)制^[3];?

??? (2) KDUMP（Linux Kernel Dump）機(jī)制^[4]；?

??? (3) KDB機(jī)制^[5]；?

??? (4) KGDB機(jī)制^[6]。?

??? 綜合上述幾種機(jī)制可以發(fā)現(xiàn),這四種機(jī)制之間有以下三個共同點(diǎn)：?

??? (1) 適用于為運(yùn)算資源豐富、存儲空間充足的應(yīng)用場合；?

??? (2) 發(fā)生系統(tǒng)崩潰后恢復(fù)時間無嚴(yán)格要求；?

??? (3) 主要針對較通用的硬件平臺，如X86平臺。?

??? 在嵌入式應(yīng)用場合想要直接使用上列機(jī)制中的某一種，卻遇到以下三個難點(diǎn)無法解決：?

??? (1) 存儲空間不足?

??? 嵌入式系統(tǒng)一般采用Flash作為存儲器，而Flash容量有限，且可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于嵌入式系統(tǒng)中的內(nèi)存容量。因此將全部內(nèi)存內(nèi)容保存到Flash不可行。?

??? (2) 記錄時間要求盡量短?

??? 嵌入式系統(tǒng)一般有復(fù)位響應(yīng)時間盡量短的要求，有的嵌入式操作系統(tǒng)復(fù)位重啟時間不超過2s，而上述幾種可用于Linux系統(tǒng)的內(nèi)核崩潰轉(zhuǎn)儲機(jī)制耗時均不可能在30s內(nèi)。寫Flash的操作也很耗時間，實(shí)驗(yàn)顯示，寫2MB數(shù)據(jù)到Flash耗時達(dá)到400ms之多。?

??? (3) 要求能夠支持特定的硬件平臺?

??? 嵌入式系統(tǒng)的硬件多種多樣，上面提到的四種機(jī)制均是針對X86平臺提供了較好的支持，而對于其他體系的硬件支持均不成熟。?

??? 由于這些難點(diǎn)的存在，要將上述四種內(nèi)核崩潰轉(zhuǎn)儲機(jī)制中的一種移植到特定的嵌入式應(yīng)用平臺是十分困難的。因此，針對上述嵌入式系統(tǒng)的三個特點(diǎn)，本文介紹一種基于特定平臺的嵌入式Linux內(nèi)核崩潰信息記錄機(jī)制LCRT(Linux Crash Record and Trace)，為定位嵌入式Linux系統(tǒng)中軟件故障和解決軟件故障提供輔助手段。?

1 Linux內(nèi)核崩潰的分析?

??? 分析Linux內(nèi)核對于運(yùn)行期間各種“陷阱”的處理可以得知，Linux內(nèi)核對于應(yīng)用程序導(dǎo)致的錯誤可以予以監(jiān)控，在應(yīng)用程序發(fā)生除零、內(nèi)存訪問越界、緩沖區(qū)溢出等錯誤時，Linux內(nèi)核的異常處理例程可以對這些由應(yīng)用程序引起的異常情況予以處理。當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生不可恢復(fù)的錯誤時，Linux內(nèi)核可以僅僅終止產(chǎn)生錯誤的應(yīng)用程序，其他應(yīng)用程序仍然可以正常運(yùn)行。?

??? 如果Linux內(nèi)核本身或者新開發(fā)的Linux內(nèi)核模塊存在bug，產(chǎn)生了“除零”，“內(nèi)存訪問越界”、“緩沖區(qū)溢出”等錯誤，同樣會由Linux內(nèi)核的異常處理例程來處理。Linux內(nèi)核通過在異常處理程序中判斷，如果發(fā)現(xiàn)是“嚴(yán)重的不可恢復(fù)”的內(nèi)核異常，則會導(dǎo)致“內(nèi)核恐慌”（kernel panic），即Linux內(nèi)核崩潰。圖1所示為Linux內(nèi)核對異常情況的處理流程。?

?

?

2 LCRT機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

??? 通過對Linux內(nèi)核代碼的分析可知，Linux內(nèi)核本身提供了一種“內(nèi)核通知機(jī)制”^[7-8]，并預(yù)定義了“內(nèi)核事件通知鏈”，使得Linux內(nèi)核擴(kuò)展開發(fā)人員可以通過這些預(yù)定義的內(nèi)核事件通知鏈在特定的內(nèi)核事件發(fā)生時執(zhí)行附加的處理流程。通過對Linux內(nèi)核源代碼的研究發(fā)現(xiàn)，對于上文中提到的“嚴(yán)重不可恢復(fù)的內(nèi)核異常”，預(yù)定義了一個通知鏈和通知點(diǎn)，使得在發(fā)生Linux內(nèi)核崩潰之后，可以在Linux內(nèi)核的panic函數(shù)中預(yù)定義的一個“內(nèi)核崩潰通知鏈”^[7]上掛接LCRT機(jī)制來獲得Linux內(nèi)核崩潰現(xiàn)場的一些信息并記錄到非易失性存儲器中，以便分析引起Linux內(nèi)核崩潰的原因。?

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)?

??? LCRT機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于如下特定的機(jī)制：?

??? (1) 編譯器選項(xiàng)與內(nèi)核依賴?

??? Linux內(nèi)核及相應(yīng)的驅(qū)動程序都采用GNU^[9]的開源編譯器GCC^[9]編譯，為了結(jié)合LCRT機(jī)制方便地提取信息和記錄信息，需要采用特定的GCC編譯器選項(xiàng)來編譯Linux內(nèi)核和相關(guān)的驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序。用到的選項(xiàng)為：-mpoke-function-name^[9]。使用這個選項(xiàng)編譯出的二進(jìn)制程序中可以包含C語言函數(shù)名稱的信息，以方便函數(shù)調(diào)用鏈回溯時記錄信息的可讀性。?

??? (2) Linux內(nèi)核notify_chain機(jī)制^[8]?

??? Linux內(nèi)核提供“通知鏈”功能，并預(yù)定義了一個內(nèi)核崩潰通知鏈，在Linux內(nèi)核的異常處理例程中判斷出系統(tǒng)進(jìn)入“不可恢復(fù)”狀態(tài)時，會沿預(yù)定義的通知鏈順序調(diào)用注冊到相應(yīng)鏈中的通知函數(shù)。?

??? (3) 函數(shù)調(diào)用的棧布局?

??? Linux內(nèi)核的絕大部分由C語言實(shí)現(xiàn)，而且C語言也多用來進(jìn)行Linux內(nèi)核開發(fā)。Linux內(nèi)核及使用LKM擴(kuò)展而加入Linux內(nèi)核執(zhí)行環(huán)境的代碼是有規(guī)律可循的，這些代碼在執(zhí)行過程中產(chǎn)生的棧布局和這些規(guī)律的代碼相關(guān)聯(lián)。例如，這些函數(shù)在執(zhí)行函數(shù)之前會保存本函數(shù)調(diào)用后的返回地址、本函數(shù)被調(diào)用時傳遞過來的參數(shù)及調(diào)用本函數(shù)的函數(shù)所擁有的棧幀的棧底。?

2.2 LCRT機(jī)制的設(shè)計(jì)思想?

??? LCRT機(jī)制分為Linux內(nèi)核模塊^[8]部分和Linux用戶程序部分。內(nèi)核模塊部分的設(shè)計(jì)采用了Linux內(nèi)核模塊的模式而不是直接修改Linux內(nèi)核。這樣的設(shè)計(jì)降低了Linux內(nèi)核和LCRT機(jī)制之間的耦合度，同時滿足了Linux內(nèi)核和LCRT機(jī)制獨(dú)立升級完善的便利性。用戶程序部分完成從非易失性存儲器中讀取、清除LCRT機(jī)制保存的信息等相關(guān)功能。?

??? 在LCRT機(jī)制的設(shè)計(jì)中，針對嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)決策有：?

??? (1) 將對于解決和定位問題最具輔助意義的函數(shù)調(diào)用關(guān)系鏈記錄下來。?

??? (2) 為了不占用過多的存儲空間，有選擇性地將函數(shù)調(diào)用序列上的函數(shù)各自用到的棧內(nèi)容保存起來，而不是保存全部內(nèi)容。?

??? (3) 將記錄的信息保存到非易失性存儲器中，這樣既達(dá)到了掉電保存的目的、又縮短了寫入時間。?

??? LCRT機(jī)制的設(shè)計(jì)包括以下五個方面。?

??? (1) 設(shè)計(jì)Linux內(nèi)核模塊、動態(tài)地加載LCRT機(jī)制、盡量少地修改Linux內(nèi)核代碼。?

??? (2)在相應(yīng)、預(yù)定義的Linux內(nèi)核通知鏈上掛接LCRT的通知函數(shù)。?

??? (3) 在LCRT機(jī)制的通知處理函數(shù)中進(jìn)行堆?；厮莸玫胶瘮?shù)調(diào)用信息。?

??? (4) 記錄回溯到的函數(shù)調(diào)用信息和堆?？臻g內(nèi)容到非易失性存儲器。?

??? (5) 開發(fā)用戶空間的工具，可以從非易失性存儲器中讀取保存的信息。?

2.3 LCRT機(jī)制的實(shí)現(xiàn)?

??? LCRT機(jī)制的實(shí)現(xiàn)可參照2.2節(jié)的設(shè)計(jì)思想，分步予以實(shí)現(xiàn)。限于篇幅，本文不過多涉及Linux內(nèi)核模塊的原理和實(shí)現(xiàn)相關(guān)的細(xì)節(jié)，僅僅給出LCRT機(jī)制的內(nèi)核模塊實(shí)現(xiàn)偽代碼。用偽代碼描述LCRT機(jī)制的加載函數(shù)如下:?

??? int lcrt_init(void) ?

??????? {?

??????????? printk("Registering my__panic notifier.\n");?

???? ?????? bt_nvram_ptr=(volatile unsigned char*)ioremap_?

nocache (BT_NVRAM_BASE,BT_NVRAM_LENGTH);?

???? ?????? bt_nvram_index+=sizeof(struct bt_info);?

???? ?????? *)bt_nvram_ptr,BT_NVRAM_LENGTH);?

???? ?????? notifier_chain_register(&panic_notifier_list,&my_?

??????????? panic_block);?

???? ?????? return 0;?

???? ?? }?

??? LCRT機(jī)制的通知處理函數(shù)完成函數(shù)調(diào)用關(guān)系回溯、得到函數(shù)名稱、函數(shù)棧內(nèi)容等工作，限于篇幅，在這里用下面?zhèn)未a說明：?

??? void ll_bt_information(struct pt_regs *pr)?

??? {?

??? 變量定義等初始化工作?

??? do? {?

??????? reglist=*(unsigned long *)(*myfp-8);?

??????? //從函數(shù)棧幀的頂部獲取函數(shù)開始執(zhí)行時保存的寄存器信息?

??? 　　//從函數(shù)的代碼區(qū)中取得函數(shù)的名稱?

??????? //從函數(shù)的棧幀里取出函數(shù)執(zhí)行函數(shù)體代碼之前保存的函數(shù)參數(shù)信息?

??? 　　//從本函數(shù)的棧幀中得到調(diào)用本函數(shù)的代碼所在位置和調(diào)用本函數(shù)的函數(shù)棧幀的棧底?

??? }while(直到函數(shù)調(diào)用鏈的鏈頭);?

??? ?

? 　　　//取得函數(shù)調(diào)用棧幀的內(nèi)容?

??????? //填充信息記錄的記錄頭部?

??????? //將上面的循環(huán)中取得的信息保存到非易失性存儲器中?

??? write_to_nvram((void *)bt_nvram_ptr,&bt_record_header,sizeof(bt_info_t));?

??? }?

3 驗(yàn)證評估LCRT機(jī)制?

3.1 部署LCRT機(jī)制?

??? 部署LCRT機(jī)制，使LCRT機(jī)制發(fā)揮作用前需要做的相關(guān)工作有：?

??? (1)針對目標(biāo)Linux內(nèi)核編譯LCRT機(jī)制的Linux內(nèi)核模塊部分;?

??? (2) 將LCRT機(jī)制的內(nèi)核模塊部分載入Linux內(nèi)核。?

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

??? 為了實(shí)驗(yàn)LCRT機(jī)制的作用效果，構(gòu)造一個會造成Linux內(nèi)核崩潰的設(shè)備驅(qū)動模塊，記這個內(nèi)核驅(qū)動模塊為bugguy.ko,列出如下所示的bugguy.ko中會引起Linux內(nèi)核崩潰的代碼如下所示:?

??? irqreturn_t my_timer_interrupt(int irq,void *dev_id,struct?pt_regs* regs)?

??? {?

??? 確認(rèn)硬件狀態(tài)并清除中斷狀態(tài)?

??? if(ujiffies > 5000) {?

??????? void * ill_pointer=NULL;?

??? 　　*(unsigned long *)ill_pointer=0;?

??? }?

??? else?{?

??????? ujiffies++;?

　　??? }?

　　??? return IRQ_HANDLED;?

??? }?

??? 說明：用黑體標(biāo)出的代碼即為產(chǎn)生bug的代碼?

??? 從上面的代碼可以看出，這個錯誤是對空指針進(jìn)行解析而造成的。在一個中斷處理函數(shù)中如果發(fā)生對空指針的解析，將會引起Linux內(nèi)核的崩潰。在部署完成LCRT機(jī)制的嵌入式linux系統(tǒng)上將這個bugguy.ko載入Linux內(nèi)核，使得會引起Linux內(nèi)核崩潰的中斷處理程序得以運(yùn)行，LCRT機(jī)制可以將相關(guān)的信息保存到非易失性存儲器中，在系統(tǒng)復(fù)位后，通過LCRT機(jī)制的用戶空間工具，可以將保存的信息讀取出來。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，可以得到如圖2所示的函數(shù)調(diào)用鏈信息。?

?

?

??? 圖2標(biāo)注即為會引起Linux內(nèi)核崩潰的錯誤代碼的中斷處理函數(shù)即真正引起系統(tǒng)宕機(jī)的“罪魁禍?zhǔn)住薄６涗浵碌乃行畔H僅占用了不到1KB的存儲空間，寫入非易失性存儲器所耗用的時間控制在50ms以內(nèi)。在使用少量空間和少量時間的情況下，所記錄下的信息對于查找問題和解決問題都有較大的幫助。?

??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在LCRT機(jī)制的作用下，可以快速地定位到嵌入式Linux系統(tǒng)中隱藏的可能會導(dǎo)致系統(tǒng)宕機(jī)的軟件缺陷。這就為后續(xù)的故障解決和軟件完善提供了關(guān)鍵的輔助信息。對嵌入式Linux內(nèi)核而言，即是為提高Linux內(nèi)核的穩(wěn)定性和可靠性提供了幫助。?

??? 在基于ARM的嵌入式Linux應(yīng)用中，開發(fā)LCRT機(jī)制來記錄系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)生崩潰時引起崩潰的函數(shù)調(diào)用鏈和棧信息到非易失性存儲器中，截至目前為止，LCRT機(jī)制可以記錄基于ARM的嵌入式Linux內(nèi)核發(fā)生崩潰時的函數(shù)調(diào)用鏈信息，可直接得到函數(shù)名稱、函數(shù)調(diào)用鏈中單個函數(shù)被調(diào)用時的參數(shù)信息以及函數(shù)調(diào)用鏈中的函數(shù)各自的棧幀信息。這些記錄下來的信息對于完善和發(fā)展基于ARM的嵌入式Linux應(yīng)用具有重要的輔助意義。?

參考文獻(xiàn)?

[1] IEC international 61508-1 standard functional safety of?electrical/electronic/programmable electronic safety-related?systems-Part 1: General requirements，1998.?

[2] SWIFT M M, BERSHAD B N, LEVY H M. Improving?the reliability of commodity operating systems[OL].http://nooks.cs.washington.edu/nooks-tocs.pdf, 2005.?

[3] IBM Global Services, Linux education. LKCD?installation and configuration[OL].http://lkcd.sourceforge.net/doc/lkcd_tutorial.pdf, 2006.?

[4] GOYAL V, BIEDERMAN E W, KDUMP H N.A kexecbased kernel crash dumping mechanism[OL].http://lse.sourceforge.net/kdump/documentation/ols2oo5kdump-paper.pdf, 2005.?

[5] CORBET J, RUBINI A, HARTMAN G K. Linux device?drivers, Third Edition[M].魏永明譯. 北京：中國電力出版社，2005.?

[6] LinSysSoft Technologies Pvt. Ltd. KGDB Documentation[OL].http://kgdb.linsyssoft.com/downloads/kgdb-2/kgdb_docu_full-2.4.pdf, 2006.?

[7] YAGBMOUR K.構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2004.?

[8] RODRIGUEZ C S, FISCHER G, SMOLSKI S. Linux內(nèi)核編程必讀（英文版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.?

[9] GRIFFITH A. GCC技術(shù)參考大全[M].胡恩華譯.北京：清華大學(xué)出版社，2004.