Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Отладка ядра может показаться сложным делом, тем не менее, ядро не особо отличается от других больших программных проектов. У ядра есть свои уникальные особенности, такие как ограничения связанные со временем выполнения участков кода, возможности возникновения состояний конкуренции (race) — как результат параллельного выполнения множества потоков в ядре. Можно дать стопроцентную гарантию, что если приложить некоторые усилия и понимание, то проблемы ядра можно с успехом находить и решать (и даже, возможно, получать удовольствие от успешного преодоления трудностей).

Функция printk()

Функция форматированного вывода сообщений printk() работает аналогично библиотечной функции printf() языка С. Действительно в этой книге до этого момента мы не видели никаких существенных отличий в ее использовании. Для большинства задач это именно так: функция printk() — это просто функция ядра, выполняющая форматированный вывод сообщений. Однако, некоторые различия все же имеются.

Устойчивость функции printk()

Одно из проверенных и часто используемых свойств функции printk() — это ее устойчивость. Функцию printk() можно вызывать практически в любое время и в любом месте ядра. Её можно вызывать из контекста прерывания и из контекста процесса. Её можно вызывать во время удержания блокировки. Её можно вызывать одновременно на нескольких процессорах и она не требует при этом удерживать какие-нибудь блокировки.

Эта функция очень устойчива, и это очень важно, потому что полезность функции printk() базируется на том факте, что она всегда доступна и всегда работает.

Неустойчивость функции printk()

Слабое место у функции printk() в плане устойчивости все же существует. Её нельзя использовать до некоторого момента при загрузки ядра, пока консоль еще не инициализирована. Действительно, если нет консоли, то куда будут выводится сообщения?

Обычно это не проблема, если не нужно выполнять отладку кода, который выполняется на очень ранних стадиях процесса загрузки (например, функции setup_arch(), которая выполняет инициализацию специфичную для аппаратной платформы). Отладка такого рода — настоящая задача: отсутствие каких-либо способов вывода сообщений, а только проблема в полном составе.

В таких ситуациях тоже есть некоторые обнадеживающие моменты, но их не много. Настоящие хакеры, которые работают с аппаратурой на таком низком уровне, для связи с внешним миром используют аппаратное обеспечение соответствующей платформы, которое всегда работает (например, последовательный порт). Поверьте, что у большинства людей такая работа не вызовет радости. Для одних аппаратных платформ такое решение работает, для других платформ (включая платформу i386) существуют заплаты кода, которые тоже позволяют сэкономить время.

Одно из решений проблемы — вариант функции printk(), который может выводить информацию на консоль на очень ранних стадиях процесса загрузки — early_printk(). Поведение этой функции аналогично функции printk(), за исключением имени и возможности работать на очень ранних стадиях загрузки. Однако, такое решение не переносимо, потому что не для всех поддерживаемых аппаратных платформ этот метод работы реализован. Если же он есть, то может сослужить хорошую службу.

Кроме ситуаций, когда необходимо выводить на консоль информацию на очень ранних стадиях загрузки системы, можно положиться на функцию printk(), которая работает практически всегда.

Уровни вывода сообщений ядра

Главное отличие между функциями printk() и printf() — это возможность в первой указывать уровень вывода сообщений ядра (loglevel). Ядро использует уровень вывода сообщений для принятия решения о том, выводить сообщение на консоль или нет. Ядро выводит на консоль все сообщение с уровнями меньшими, или равными, соответствующему значению для консоли (console loglevel). Уровень вывода сообщений можно указывать следующим образом.

printk(KERN_WARNING "Это предупреждение!n");

printk(KERN_DEBUG "Это отладочное сообщение!n");

printk("Мы не указали значения loglevel!n");

Строки KERN_WARNING и KERN_DEBUG определены через препроцессор в заголовочном файле <linux/kernel.h>. Эти макросы раскрываются в строки, соответственно "<4>" и "<7>", которые объединяются со строкой формата в самом начале сообщения, выводимого функцией printk(). После этого на основании уровня вывода сообщения и уровня вывода консоли (значение переменной console_loglevel) ядро принимает решение выводить информацию на консоль или нет. В табл. 18.1 приведен полный список возможных значений уровня вывода сообщений.

Таблица 18.1. Доступные значения уровня вывода сообщений ядра (loglevel)

Значение loglevel Описание KERN_EMERG Аварийная ситуация KERN_ALERT Проблема, на которую требуется немедленно обратить внимание KERN_CRIT Критическая ситуация KERN_ERR Ошибка KERN_WARNING Предупреждение KERN_NOTICE Обычная ситуация, но на которую следует обратить внимание KERN_INFO Информационное сообщение KERN_DEBUG Отладочное сообщение — обычно избыточная информация

Если уровень вывода сообщений ядра не указан, то его значение по умолчанию равно DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL, который в данный момент равен KERN_WARNING. Так как это значение может измениться, то для своих сообщений необходимо всегда указывать уровень вывода.

Наиболее важный уровень вывода — KERN_EMERG определен как "<0>", а наименее важный — KERN_DEBUG, как "<7>". Например, после обработки препроцессором кода из предыдущего примера получается следующее.

printk("<4>Это предупреждение!n");

printk("<7>Это отладочное сообщение!n");

printk("<4>Мы не указали значения loglevel!n");

Как вы будете использовать функцию printk() зависит только от вас. Конечно, обычные сообщения, которые должны быть видимы, должны иметь соответствующий уровень вывода. Отладочные сообщения, которые в большом количестве встраиваются в самые разные места кода с целью разобраться с проблемой — "допустим ошибка здесь", "пробуем", "работает" — могут иметь любой уровень вывода. Один вариант — оставить уровень при котором сообщения выводятся на консоль равным значению этого параметра по умолчанию, а уровень вывода ваших сообщений установить в значение KERN_CRIT, или что-то около этого. Можно поступить и наоборот — для отладочных сообщений установить уровень KERN_DEBUG и поднять уровень при котором сообщения выводятся на консоль. Каждый из вариантов имеет свои положительные и отрицательные стороны — вам решать.

Уровни вывода сообщений определены в файле <linux/kernel.h>.

Буфер сообщений ядра

Сообщения ядра хранятся в кольцевом буфере (log buffer) размером LOG_BUF_LEN. Этот размер можно изменять во время компиляции с помощью параметра CONFIG_LOG_BUF_SHIFT. Для однопроцессорной машины это значение по умолчанию равно 16 Кбайт. Другими словами в ядре может хранится до 16 Кбайт системных сообщений. Если общий размер всех сообщений ядра достигает этого максимального значения и приходит новое сообщение, то оно переписывается поверх самого старого из хранящихся в буфере сообщений. Буфер сообщений ядра называется кольцевым, потому что запись и считывание сообщений выполняется по круговой схеме.

Использование кольцевого буфера предоставляет определенные преимущества. Так как одновременные операции чтения и записи в кольцевом буфере выполняются достаточно просто, то функцию printk() можно использовать даже из контекста прерывания. Более того, это позволяет просто организовать управление системными сообщениями. Если сообщений оказывается очень много, то новые сообщения просто затирают старые. Если возникает проблема, которая проявляется в генерации большого количества сообщений, то буфер сообщений просто начинает переписывать себя вместо того, чтобы бесконтрольно занимать память. Единственный недостаток кольцевого буфера — возможность потерять сообщения, что не такая уж и большая плата за ту устойчивость, которую такое решение предоставляет.