[TinyLinux-010] 系统调试技巧：从 GDB 到函数调用图

系列简介：TinyLinux 是由 LabHub 发起的"大道至简"Linux 学习项目。我们通过对内核进行"剔骨"级的物理精简，旨在构建一个 100% 透明、可重现的极简实验室。

公众号：LabHub | 项目仓库：https://gitee.com/lynyujiang/tiny-linux.git

🛠 技术看板

1. 知识点详注 (Technical Glossary)

• **GDB (GNU Debugger)**：GNU 项目开发的源代码级调试器，支持断点、单步执行、变量查看等功能。配合 QEMU 可以调试内核代码。
• QEMU GDB Stub：QEMU 内置的 GDB 远程调试接口。通过 -s -S 参数启动后，QEMU 在 1234 端口监听 GDB 连接，暂停等待调试器。
• ftrace：Linux 内核内置的函数追踪框架。可以记录内核函数的调用关系、执行时间等信息，无需重新编译内核。
• Cscope：C 语言的源代码导航工具。可以查找函数定义、调用者、引用位置等，是内核开发者的必备工具。
• **函数调用图 (Call Graph)**：可视化展示函数之间调用关系的图形。帮助理解代码执行流程和架构设计。

2. 理论背景 (Deep Theory)

2.1 为什么需要内核调试？

用户空间程序调试相对简单：

# 用户空间调试
gdb ./my_program
(gdb) break main
(gdb) run

但内核调试面临挑战：

2.2 内核调试的三种方法

方法一：printk 调试（最常用）

// 在内核代码中添加
printk(KERN_INFO "DEBUG: value = %d\n", value);

// 查看输出
dmesg | tail -20
# 或通过串口输出到主机

优点：简单直接，无需额外工具缺点：需要重新编译，信息有限

方法二：GDB 动态调试

# QEMU 端
qemu-system-x86_64 ... -s -S

# GDB 端
gdb vmlinux
(gdb) target remote :1234
(gdb) break start_kernel
(gdb) continue

优点：可单步执行、查看变量缺点：系统暂停，调试时间长

方法三：ftrace 动态追踪

# 启用 ftrace
mount -t debugfs none /sys/kernel/debug
echo function_graph > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo start_kernel > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on

# 查看追踪结果
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

优点：无需重新编译，信息详细缺点：需要内核支持，输出量大

2.3 TinyLinux 的调试优势

由于 TinyLinux 极致精简，调试反而更简单：

3. 源码与脚本深度走读 (Source Code Dive)

3.1 GDB 调试脚本示例

#!/bin/bash
# debug_kernel.sh - GDB 内核调试脚本

# 1. 启动 QEMU（带 GDB 支持）
qemu-system-x86_64 \
  -m 512 \
  -kernel output/target/bzImage \
  -initrd output/target/rootfs.cpio.xz \
  -nographic \
  -s -S  # -s: 在 1234 端口监听 GDB
# -S: 启动时暂停，等待 GDB 连接

# 2. 在另一个终端连接 GDB
gdb vmlinux
(gdb) target remote :1234
(gdb) break start_kernel
(gdb) continue

3.2 Cscope 代码导航

# 进入内核源码目录
cd linux-6.12.51

# 生成 Cscope 数据库
make cscope

# 常用查询命令
cscope -d -L -1 start_kernel    # 查找函数定义
cscope -d -L -2 start_kernel    # 查找调用者
cscope -d -L -3 start_kernel    # 查找引用位置
cscope -d -L -0 start_kernel    # 查找出现位置

3.3 函数调用图生成脚本：gen_callgraph.sh

#!/bin/bash
###############################################################################
# TinyLinux Call Graph Generator
# 生成可视化的内核函数调用图
###############################################################################

MODE="forward"# forward: 向下追踪 / reverse: 向上追踪
ENTRY_POINT="start_kernel"
MAX_DEPTH=2

# 1. 确保 Cscope 数据库存在
[ -f "cscope.out" ] || make cscope

# 2. 递归追踪函数调用
trace_logic() {
local func=$1
local depth=$2

if [ $depth -ge $MAX_DEPTH ]; thenreturn; fi

# 查询调用者或被调用者
local results
if [ "${MODE}" == "forward" ]; then
        results=$(cscope -d -L -2 "${func}" | awk "{print \$2}" | sort -u)
else
        results=$(cscope -d -L -3 "${func}" | awk "{print \$2}" | sort -u)
fi

# 生成连接关系
for item in$results; do
echo"{ \"from\": \"${func}\", \"to\": \"${item}\" }"
        trace_logic "${item}" $((depth + 1))
done
}

# 3. 生成 HTML 可视化文件
# 使用 vis-network 库渲染交互式图表

3.4 ftrace 追踪脚本：trace_galaxy.sh

#!/bin/bash
###############################################################################
# TinyLinux Trace Galaxy - Ftrace 解析和可视化
###############################################################################

TRACE_LOG=$1
OUTPUT_DIR="output/docs"

# 1. 解析 ftrace 输出（function_graph 格式）
# 示例输入:
# 1)               |  start_kernel() {
# 1)               |    set_task_stack_end_magic();

awk '
    /\(\)\\{/ {
        # 提取函数名和深度
        match($0, /[a-zA-Z0-9_]+\(\)/);
        name = substr($0, RSTART, RLENGTH-2);
        depth = index($0, "|");

        # 记录父子关系
        printf "{ \"from\": \"%s\", \"to\": \"%s\" }\n", parent, name;
        parent = name;
    }
'"${TRACE_LOG}" > "${OUTPUT_DIR}/trace_links.json"

# 2. 生成动态追踪可视化 HTML
# 亮绿色表示实际执行过的代码路径

3.5 常用调试命令速查

# GDB 常用命令
(gdb) target remote :1234          # 连接 QEMU
(gdb) break start_kernel           # 设置断点
(gdb) info breakpoints             # 查看断点
(gdb) continue# 继续执行
(gdb) next                         # 单步执行（不进入函数）
(gdb) step                         # 单步执行（进入函数）
(gdb) print variable               # 查看变量值
(gdb) backtrace                    # 查看调用栈
(gdb) info registers               # 查看寄存器

# ftrace 常用命令
echo function_graph > current_tracer           # 设置追踪器
echo start_kernel > set_ftrace_filter          # 设置过滤
echo 1 > tracing_on                            # 开始追踪
echo 0 > tracing_on                            # 停止追踪
cat trace                                      # 查看结果

4. 配置详解 (Config & Engineering)

4.1 内核调试配置

⚠️ 注意：当前 TinyLinux 内核未启用 CONFIG_DEBUG_INFO，GDB 调试仅能查看汇编和寄存器，无法进行源码级调试。如需源码调试，需重新编译内核。

4.1.1 启用调试信息（可选）

cd /home/devhub/xlabs/tiny-linux/linux-6.12.51

# 打开内核配置
make menuconfig

# 导航路径：
# Kernel hacking --->
#   Compile-time checks and compiler options --->
#     [*] Compile the kernel with debug info

# 或者手动编辑 .config
echo"CONFIG_DEBUG_INFO=y" >> .config
echo"CONFIG_GDB_SCRIPTS=y" >> .config

# 重新编译内核
cd ..
./scripts/build_kernel.sh

4.2 QEMU 调试参数

4.3 调试环境搭建

# 1. 安装 GDB（已安装）
which gdb
# 输出：/usr/bin/gdb

# 2. 生成 Cscope 数据库（必需）
cd linux-6.12.51
make cscope
# 输出：生成 cscope.out tags 文件

# 3. 验证 ftrace 支持（已启用）
grep "CONFIG_FUNCTION_TRACER" linux-6.12.51/.config
# 输出：CONFIG_FUNCTION_TRACER=y

# 4. 启动 QEMU（带 GDB 支持）
# 注意：当前内核无调试符号，GDB 仅能查看汇编
qemu-system-x86_64 -m 512 \
  -kernel output/target/bzImage \
  -initrd output/target/rootfs.cpio.xz \
  -nographic -s -S

# 5. 连接 GDB
gdb linux-6.12.51/vmlinux
(gdb) target remote :1234

⚠️ 重要说明：

• ftrace：✅ 已启用，可在 TinyLinux 内部使用
• Cscope：⚠️ 需手动生成（运行 make cscope）
• GDB 源码调试：⚠️ 需重新编译内核（启用 CONFIG_DEBUG_INFO）
• GDB 汇编调试：✅ 当前即可使用（查看寄存器、内存）

4.4 函数调用图颜色说明

5. 工程实验步骤 (Lab Steps)

5.1 使用 GDB 调试内核启动