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如何调试Linux内核？

news 2025/8/8 15:26:40

通过创建一个最小的根文件系统，并使用QEMU和GDB进行调试。

1.准备工作环境

确保系统上安装了所有必要的工具和依赖项。

sudo apt-get update    //更新一下软件包
sudo apt-get install build-essential git libncurses-dev bison flex libssl-dev qemu-system-x86 gdb busybox-static

sudo apt-get install build-essential：安装编译工具链，其中包含了gcc（GNU编译器集合，用于C/C++程序）、g++（GNU C++编译器）、make（构建工具，用于自动化编译和安装）、libc-dev（C标准库的开发文件）。
git：分布式版本控制系统。
libncurses-dev：提供字符终端处理库的开发文件。在编译和配置内核的时候，需要依赖此库。
bison：GNU解析器生成器。用于生成语法分析器（Parser），在编译内核时可能会使用。
flex：快速词法分析器生成器。配合bison使用。
libssl-dev：解密一些协议，在内核模块可能使用。
qemu-system-x86：QEMU的x86系统模拟器。用于模拟x86架构的虚拟机，支持运行操作系统内核或完整系统。
gdb：GNU调试器。用于调试C/C++程序，支持设置断点、单步执行、查看变量和内存，与QEMU配合使用，调试Linux内核。
busybox-static：静态编译的BusyBox工具集，提供一组精简的Unix工具，将所有依赖库都包含在可执行文件中，无需外部依赖。

2.获取并配置Linux内核源码

先进入到一个目录下，然后自己克隆就可以了

git clone https://github.com/torvalds/linux.git
cd linux

3.配置内核

为了简化过程，可以使用默认配置并启动调试信息：

make defconfig

在Linux源代码中，找到 .config 文件，然后“Ctrl + f”启动搜索键，搜索调试信息“CONFIG_DEBUG_INFO”,然后可能会出现“CONFIG_DEBUG_INFO_NODE”，你就把他注释了。然后你进行编译“make -j4”，启动四个内核进行编译，提高速度，但是会出现四个调试选项，是因为你把之前个给注释了，在这里你要选择与“CONFIG_DEBUG_INFO”相关的。之后就会成功编译。

编译成功后，你应该能找到两个文件：

arch/x86/boot/bzImage：这是内核映像文件。
vmlinux：这是未压缩的内核映像文件，用于GDB调试。

4.创建最小的根文件系统

4.1准备目录结构

创建一个目录来存放根文件系统的文件：

mkdir -p ~/Compiler-2/rootfs   //具体路径视情况而定

cd ~/Compiler-2/rootfs

mkdir -p bin sbin etc proc sys usr/bin usr/sbin

ln -s bin sbin

bin：存放系统的基本指令（二进制可执行文件），这些命令对所有用户可用。
sbin：存放系统管理员使用的管理命令（二进制可执行文件），通常需要root权限才能执行。
etc：存放系统的配置文件，包括一些用户信息，网络配置等
proc：一个虚拟文件系统，提供内核和进程信息的接口。它不占用磁盘空间，而是由内核动态生成。包括CPU信息、内存信息等
sys：一个虚拟文件系统，提供内核和硬件设备的配置接口。与proc类似，它也是由内核动态生成的。用来配置内核参数、管理设备等
usr/bin：存放用户安装的命令和应用程序（二进制可执行文件）。gcc、vim等
usr/sbin：存放用户安装的系统管理命令（二进制可执行文件），通常需要root权限才能执行、

第三行创建的很多目录是Linux文件系统层次结构标准（FHS）的一部分。

第四行命令的作用是创建一个符号链接（symbolic link），将sbin目录软链接到bin目录。因为在某些情况下，bin和sbin目录的内容可能会相同或相似，通过将sbin链接到bin，可以节省空间，方便统一管理，之后也就不需要区分这两个目录，也可以简化路径。

4.2复制BuysBox二进制文件

复制BusyBox二进制文件到根文件系统目录：

cp $(which busybox) bin/

将当前目录下 bin/ 目录中的 busybox 可执行文件所支持的所有工具，以符号链接的形式安装到指定目录中（其实就是默认当前目录下的 bin/ 目录）。其中-s是 --install 选项的子选项，表示创建符号链接而不是硬链接（hard link）。

./bin/busybox --install -s

4.3创建 init 脚本

在根文件系统中创建一个简单的初始化脚本（init script）来启动shell：

创建一个名为 init 的文件，并将 #!/bin/sh 写入文件的第一行。其中 #!/bin/sh 是脚本的 shenbang，指定脚本使用 /bin/sh（Bourne Shell）作为解释器。

echo '#!/bin/sh' > init

将 mount -t proc none /proc 追加到 init 文件中。mount -t proc none /proc 挂载 proc 文件系统打破 /proc 目录。proc文件系统提供了内核和进程信息的接口，是Linux系统的重要组成部分。>> init将输出追加到init文件中，不会覆盖原有内容。

echo 'mount -t proc none /proc' >> init

sysfs文件系统提供了内核和硬件设备的配置接口，通常用于管理设备和内核模块。

echo 'mount -t sysfs none /sys' >> init

exec sh 是启动一个交互式的Shell。exec 用新的进程替换当前进程。这行代码的作用是让系统在初始化完成后进入一个交互式的 Shell 环境，方便用户操作或调试。

echo 'exec sh' >> init

为 init 文件添加可执行权限。这行代码的作用是让 init 文件可以被执行。因为在Linux系统中，脚本文件必须具有可执行权限才能直接运行。

chmod +x init

4.4 打包成 cpio 归档

将 rootfs 目录打包成一个 cpio 归档文件，并使用 gzip 压缩，最终生成一个压缩的根文件系统映像文件 rootfs.cpio.gz。

cd ~/Compiler-2
find rootfs | cpio -o --format=newc | gzip > rootfs.cpio.gz

最后在我的电脑上，输出 1 block，表示 cpio 归档文件中只包含一个块的数据（512字节）。

5.使用QEMU启动内核

在第一个终端窗口中运行一下命令启动QEMU：

qemu-system-x86_64 \-kernel arch/x86/boot/bzImage \-append nokaslr\-s -S \-m 2024

qemu-system-x86_64：这是QEMU的可执行文件，用于模拟x86_64架构的虚拟机
-kernel linux/arch/x86/boot/bzImage：指定要启动的Linux内核镜像文件（在上面编译的时候也提到了）
-s：启用 GDB 调试服务器，默认监听端口 1234
-S：启动时暂停CPU，等待GDB连接。
-m 2024 ：给虚拟机分配2024MB //可加可不加

6.启动GDB连接QEMU进行调试

在第二个终端窗口中启动GDB并连接到QEMU：

cd ~/Compiler-2/linux-6.1
gdb vmlinux
(gdb) target remote localhost:1234
(gdb) continue

之后你就可以使用gdb打断点进行调试了。(*^▽^*)