一朵浊浪映天地
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Linux Kernel代码中的异常检测与日志类API

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Background

Linux Kernel的代码中存在一些异常检测、日志输出相关的API，也存在用于debug字段的内核参数。本文聚焦：

  1. 编译时用于静态检查API的种类与作用
  2. 运行时日志输出类的API与相关的内核参数
  • 内核参数kernel.print与启动参数loglevel / quiet / debug
  • Dynamic Debug
  • 日志类API的主要种类
  1. 运行时异常检测与处理API

Force Compiler Error

某些内核代码依赖于特定的静态变量，尽管Kconfig提供了语法depends on用于指定模块间的依赖关系，可这种方式不够灵活，无法用于非config间的静态检查，因此提供了在编译期间起作用的静态检查方式，相关的macro声明在include/linux/build_bug.h，根据用处的不同分为以下几种：

  • BUILD_BUG_ON_ZERO(e): 利用C位域不为负值原理，若表达式e为真则编译报错negative width in bit-field '<anonymous>'，为假则产生int类型的0返回
  • BUILD_BUG_ON_INVALID(e): 在表达式e不产生副作用且不产生多余代码的情况下对表达式进行检查，要求表达式的返回值能被强制转换为long类型
  • BUILD_BUGxxx()系列: 符合POSIX assert macro语义，允许自定义错误信息。利用了编译器对存在常量表达式条件的分支优化原理，若condition为真则会跳转到异常分支，使用编译器参数__attribute__((__error__(message)))输出message
  • static_assert(expr, ...): 不同于BUILD_BUGxxx()，它能够放在函数作用域之外，是对编译器关键词_Static_assert的封装

Kernel Log

Linux能够用$ dmesg``/dev/kmsg读取来自内核的日志信息（数据来源于/dev/kmsg），这些信息多数是在内核中通过函数printk()打印。有内核参数kernel.printk（/proc/sys/kernel/printk）控制console loglevel，其值有4个，分别代表current、default、minimum、boot-time-default。boot-time-default / default / current于编译时指定，即boot-time-default / current为CONFIG_CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT，default为CONFIG_MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT，*minimum在源码中静态定义。可通过修改内核参数kernel.printk改变他们的值，但修改boot-time-default的值并没有意义（并没有在源码中翻到哪里用到了这个值），通常通过# dmesg -n 8（即echo 8 > /proc/sys/kernel/printk来令console打印出所有的内核日志，亦可通过kernel boot parameters loglevel=<loglevel> / quiet / debug来指定。其中启动参数quiet的日志行为由CONFIG_CONSOLE_LOGLEVEL_QUIET决定，debug的值则为CONSOLE_LOGLEVEL_DEBUG (10)。

Note: loglevel、quiet、debug三者是互相冲突的，我觉得谁写在后面以谁为准，kernel参数按顺序扫描嘛。

LOG_LEVEL, Log Types and Usage

LOG_LEVEL and Function printk()

内核中在include/linux/kern_levels.h定义了8+1+1类loglevel，使用方式为printk(loglevel fmt, ...)。KERN_DEFAULT代表的是使用内核参数kernel.printk中defaul定义的loglevel级别；KERN_CONT控制着log flush的时刻：若当前log buffer没满且log message的前缀为KERN_CONT、后缀不是\n，则该message不立即输出，输出时刻取决于下个message。

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#define KERN_EMERG	KERN_SOH "0"	/* system is unusable */
#define KERN_ALERT	KERN_SOH "1"	/* action must be taken immediately */
#define KERN_CRIT	KERN_SOH "2"	/* critical conditions */
#define KERN_ERR		KERN_SOH "3"	/* error conditions */
#define KERN_WARNING	KERN_SOH "4"	/* warning conditions */
#define KERN_NOTICE	KERN_SOH "5"	/* normal but significant condition */
#define KERN_INFO	KERN_SOH "6"	/* informational */
#define KERN_DEBUG	KERN_SOH "7"	/* debug-level messages */

#define KERN_DEFAULT	""		/* the default kernel loglevel */

#define KERN_CONT	KERN_SOH "c"

Function pr_xxx() and dev_xxx(), [subsystem eg: netdev]_xxx()

相比printk()，Linux更建议使用[subsystem eg: netdev]_xxx()、dev_xxx()、pr_xxx()之类的API（按优先顺序排列，高优先级在前），在实现上他们几乎都是为vprintk_emit()做的封装（除了debug级别的log），面向子系统的日志打印API，会在日志中自动添加一些该子系统独有的信息。

pr_xxx()对printk()做了简单的封装，能够在单个源码文件中利用macro #define pr_fmt(fmt) xxx为该文件中的所有pr_xxx() API自定义打印的日志前缀或后缀。此外，pr_xxx()定义了devel级别的日志打印，当源文件存在macro #DEFINE DEBUG时，它等价于printk(KERN_DEBUG, ...)，因此偶尔可以在源文件中看到注释掉的macro //#define DEBUG。比如drivers/misc/vmw_balloon.c:

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// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * VMware Balloon driver.
 *
 * Copyright (C) 2000-2018, VMware, Inc. All Rights Reserved.
 *
 * This is VMware physical memory management driver for Linux. The driver
 * acts like a "balloon" that can be inflated to reclaim physical pages by
 * reserving them in the guest and invalidating them in the monitor,
 * freeing up the underlying machine pages so they can be allocated to
 * other guests.  The balloon can also be deflated to allow the guest to
 * use more physical memory. Higher level policies can control the sizes
 * of balloons in VMs in order to manage physical memory resources.
 */

//#define DEBUG
#define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt

#include <linux/types.h>
#include <linux/io.h>

而pr_debug()的行为与printk(DEBUG, ...)并不等价，分为两种情况：

  1. 若开启了dynamic debug功能，它的行为即dynamic debug的行为
  2. 未开启dynamic debug，它的行为与pr_devel()等价（即是否有日志输出取决于macro DEBUG）

Dynamic Debug

Dynamic Debug允许用户动态地调整内核日志的输出。开启全局的Dynamic Debug需要设置CONFIG_DYNAMIC_DEBUG；启用局部的Dynamic Debug需要设置CONFIG_DYNAMIC_DEBUG_CORE，并为启用Dynamic Debug的module添加ccflags DYNAMIC_DEBUG_MODULE（即ccflags := -DDYNAMIC_DEBUG_MODULE）。

Dynamic Debug启用后，允许输出debug信息的函数可在<debugfs>/dynamic_debug/control中查询，也可向该文件写入符合语法规范的字符串动态地调整相应日志格式与输出，语法详见Linux doc: Dynamic debug – Command Language Reference。

Dynamic Debug支持在启动阶段激活日志的输出。Kernel的启动参数为dyndbg="QUERY"；若为内核模块，则需使用参数module.dyndbg="QUERY"（其中module为模块名称），这等价于在/etc/modprob.d/*.conf中采用语法形如options module dyndbg=QUERY，或使用modprobe时添加参数# modprobe module dyndbg=QYERY，insmod用法同modprobe。

Note：dyndgb参数能够使用引号""、''包裹。

Source

写了个内核模块测试这部分内容，相关代码在这。

Misc

还看到三类不同于printk()行为的日志API：

  • 一类的后缀为_once()，即相关日志只打印一次的API。它通过在kernel的.data.once section静态定义了一个变量来实现。
  • 一类的后缀为_ratelimited()，即限制了打印频率的日志API。它采用了令牌桶算法进行限流。
  • 一类的后缀为_deferred()，即推迟打印的日志的API。它的原后缀为_sched()。

此外，还有一些用于导出内核运行时信息的日志API，比如print_hex_dump_debug()、dump_stack()，这些可在include/linux/printk.h查阅得到。

Kernel Check Itself

Linux Kernel中存在一些自我进行异常检测类的API，行为有两大类：

  • BUG：输出异常信息，令kernel crash
  • WARN：仅输出异常信息

BUG分为条件BUG BUG_ON(condition)与无条件BUG BUG()。WARN分为条件WARN WARN_ON(condition)、自定义信息的WARN WARN(condition, fmt...)之外，还有_ONCE()后缀的WARN、含有TAINT字段的WARN（可被忍受的异常）。

References

  1. Linux doc: Message logging with printk
  2. Linux doc: Dynamic debug
  3. eLinux wiki: Debugging by printing