使用Kdump检查Linux内核崩溃

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让我们先看一下 kdump 的基本使用方法，和 kdump/kexec 在内核中是如何实现。

kdump 是获取崩溃的 Linux 内核转储的一种方法，但是想找到解释其使用和内部结构的文档可能有点困难。在本文中，我将研究 kdump 的基本使用方法，和 kdump/kexec 在内核中是如何实现。

kexec 是一个 Linux 内核到内核的引导加载程序，可以帮助从***个内核的上下文引导到第二个内核。kexec 会关闭***个内核，绕过 BIOS 或固件阶段，并跳转到第二个内核。因此，在没有 BIOS 阶段的情况下，重新启动变得更快。

kdump 可以与 kexec 应用程序一起使用 —— 例如，当***个内核崩溃时第二个内核启动，第二个内核用于复制***个内核的内存转储，可以使用 gdb 和 crash 等工具分析崩溃的原因。(在本文中，我将使用术语“***内核”作为当前运行的内核，“第二内核” 作为使用 kexec 运行的内核，“捕获内核” 表示在当前内核崩溃时运行的内核。)

kexec 机制在内核以及用户空间中都有组件。内核提供了几个用于 kexec 重启功能的系统调用。名为 kexec-tools 的用户空间工具使用这些调用，并提供可执行文件来加载和引导“第二内核”。有的发行版还会在 kexec-tools 上添加封装器，这有助于捕获并保存各种转储目标配置的转储。在本文中，我将使用名为 distro-kexec-tools 的工具来避免上游 kexec 工具和特定于发行版的 kexec-tools 代码之间的混淆。我的例子将使用 Fedora Linux 发行版。

Fedora kexec-tools 工具

使用 dnf install kexec-tools 命令在 Fedora 机器上安装 fedora-kexec-tools。在安装 fedora-kexec-tools 后可以执行 systemctl start kdump 命令来启动 kdump 服务。当此服务启动时，它将创建一个根文件系统(initramfs)，其中包含了要挂载到目标位置的资源，以保存 vmcore，以及用来复制和转储 vmcore 到目标位置的命令。然后，该服务将内核和 initramfs 加载到崩溃内核区域内的合适位置，以便在内核崩溃时可以执行它们。

Fedora 封装器提供了两个用户配置文件：

1. /etc/kdump.conf 指定修改后需要重建 initramfs 的配置参数。例如，如果将转储目标从本地磁盘更改为 NFS 挂载的磁盘，则需要由“捕获内核”所加载的 NFS 相关的内核模块。
2. /etc/sysconfig/kdump 指定修改后不需要重新构建 initramfs 的配置参数。例如，如果只需修改传递给“捕获内核”的命令行参数，则不需要重新构建 initramfs。

如果内核在 kdump 服务启动之后出现故障，那么“捕获内核”就会执行，其将进一步执行 initramfs 中的 vmcore 保存过程，然后重新启动到稳定的内核。

kexec-tools 工具

编译 kexec-tools 的源代码得到了一个名为 kexec 的可执行文件。这个同名的可执行文件可用于加载和执行“第二内核”，或加载“捕获内核”，它可以在内核崩溃时执行。

加载“第二内核”的命令：

# kexec -l kernel.img --initrd=initramfs-image.img –reuse-cmdline 

--reuse-command 参数表示使用与“***内核”相同的命令行。使用 --initrd 传递 initramfs。 -l 表明你正在加载“第二内核”，其可以由 kexec 应用程序本身执行(kexec -e)。使用 -l 加载的内核不能在内核崩溃时执行。为了加载可以在内核崩溃时执行的“捕获内核”，必须传递参数 -p 取代 -l。

加载捕获内核的命令：

# kexec -p kernel.img --initrd=initramfs-image.img –reuse-cmdline 

echo c > /pros/sysrq-trigger 可用于使内核崩溃以进行测试。有关 kexec-tools 提供的选项的详细信息，请参阅 man kexec。在转到下一个部分之前，请看这个 kexec_dump 的演示： 

 kdump: 端到端流

下图展示了流程图。必须在引导“***内核”期间为捕获内核保留 crashkernel 的内存。您可以在内核命令行中传递 crashkernel=Y@X，其中 @X 是可选的。crashkernel=256M 适用于大多数 x86_64 系统;然而，为崩溃内核选择适当的内存取决于许多因素，如内核大小和 initramfs，以及 initramfs 中包含的模块和应用程序运行时的内存需求。有关传递崩溃内核参数的更多方法，请参阅 kernel-parameters 文档。 

pratyush_f1.png

您可以将内核和 initramfs 镜像传递给 kexec 可执行文件，如(kexec-tools)部分的命令所示。“捕获内核”可以与“***内核”相同，也可以不同。通常，一样即可。Initramfs 是可选的;例如，当内核使用 CONFIG_INITRAMFS_SOURCE 编译时，您不需要它。通常，从***个 initramfs 中保存一个不一样的捕获 initramfs，因为在捕获 initramfs 中自动执行 vmcore 的副本能获得更好的效果。当执行 kexec 时，它还加载了 elfcorehdr 数据和 purgatory 可执行文件(LCTT 译注：purgatory 就是一个引导加载程序，是为 kdump 定作的。它被赋予了“炼狱”这样一个古怪的名字应该只是一种调侃)。 elfcorehdr 具有关于系统内存组织的信息，而 purgatory 可以在“捕获内核”执行之前执行并验证第二阶段的二进制或数据是否具有正确的 SHA。purgatory 也是可选的。

当“***内核”崩溃时，它执行必要的退出过程并切换到 purgatory(如果存在)。purgatory 验证加载二进制文件的 SHA256，如果是正确的，则将控制权传递给“捕获内核”。“捕获内核”根据从 elfcorehdr 接收到的系统内存信息创建 vmcore。因此，“捕获内核”启动后，您将看到 /proc/vmcore 中“***内核”的转储。根据您使用的 initramfs，您现在可以分析转储，将其复制到任何磁盘，也可以是自动复制的，然后重新启动到稳定的内核。

内核系统调用

内核提供了两个系统调用：kexec_load() 和 kexec_file_load()，可以用于在执行 kexec -l 时加载“第二内核”。它还为 reboot() 系统调用提供了一个额外的标志，可用于使用 kexec -e 引导到“第二内核”。

kexec_load()：kexec_load() 系统调用加载一个可以在之后通过 reboot() 执行的新的内核。其原型定义如下：

long kexec_load(unsigned long entry, unsigned long nr_segments, 
struct kexec_segment *segments, unsigned long flags); 

用户空间需要为不同的组件传递不同的段，如内核，initramfs 等。因此，kexec 可执行文件有助于准备这些段。kexec_segment 的结构如下所示：

struct kexec_segment { 
    void *buf; 
    /* 用户空间缓冲区 */ 
    size_t bufsz; 
    /* 用户空间中的缓冲区长度 */ 
    void *mem; 
    /* 内核的物理地址 */ 
    size_t memsz; 
    /* 物理地址长度 */ 
}; 

当使用 LINUX_REBOOT_CMD_KEXEC 调用 reboot() 时，它会引导进入由 kexec_load 加载的内核。如果标志 KEXEC_ON_CRASH 被传递给 kexec_load()，则加载的内核将不会使用 reboot(LINUX_REBOOT_CMD_KEXEC) 来启动;相反，这将在内核崩溃中执行。必须定义 CONFIG_KEXEC 才能使用 kexec，并且为 kdump 定义 CONFIG_CRASH_DUMP。

kexec_file_load()：作为用户，你只需传递两个参数(即 kernel 和 initramfs)到 kexec 可执行文件。然后，kexec 从 sysfs 或其他内核信息源中读取数据，并创建所有段。所以使用 kexec_file_load() 可以简化用户空间，只传递内核和 initramfs 的文件描述符。其余部分由内核本身完成。使用此系统调用时应该启用 CONFIG_KEXEC_FILE。它的原型如下：

long kexec_file_load(int kernel_fd, int initrd_fd, unsigned long 
cmdline_len, const char __user * cmdline_ptr, unsigned long 
flags); 

请注意，kexec_file_load 也可以接受命令行，而 kexec_load() 不行。内核根据不同的系统架构来接受和执行命令行。因此，在 kexec_load() 的情况下，kexec-tools 将通过其中一个段(如在 dtb 或 ELF 引导注释等)中传递命令行。

目前，kexec_file_load() 仅支持 x86 和 PowerPC。

当内核崩溃时会发生什么

当***个内核崩溃时，在控制权传递给 purgatory 或“捕获内核”之前，会执行以下操作：

• 准备 CPU 寄存器(参见内核代码中的 crash_setup_regs());
• 更新 vmcoreinfo 备注(请参阅 crash_save_vmcoreinfo());
• 关闭非崩溃的 CPU 并保存准备好的寄存器(请参阅 machine_crash_shutdown() 和 crash_save_cpu());
• 您可能需要在此处禁用中断控制器;
• ***，它执行 kexec 重新启动(请参阅 machine_kexec())，它将加载或刷新 kexec 段到内存，并将控制权传递给进入段的执行文件。输入段可以是下一个内核的 purgatory 或开始地址。

ELF 程序头

kdump 中涉及的大多数转储核心都是 ELF 格式。因此，理解 ELF 程序头部很重要，特别是当您想要找到 vmcore 准备的问题。每个 ELF 文件都有一个程序头：

• 由系统加载器读取，
• 描述如何将程序加载到内存中，
• 可以使用 Objdump -p elf_file 来查看程序头。

vmcore 的 ELF 程序头的示例如下：

# objdump -p vmcore 
vmcore: 
file format elf64-littleaarch64 
Program Header: 
NOTE off 0x0000000000010000 vaddr 0x0000000000000000 paddr 0x0000000000000000 align 2**0 filesz 
0x00000000000013e8 memsz 0x00000000000013e8 flags --- 
LOAD off 0x0000000000020000 vaddr 0xffff000008080000 paddr 0x0000004000280000 align 2**0 filesz 
0x0000000001460000 memsz 0x0000000001460000 flags rwx 
LOAD off 0x0000000001480000 vaddr 0xffff800000200000 paddr 0x0000004000200000 align 2**0 filesz 
0x000000007fc00000 memsz 0x000000007fc00000 flags rwx 
LOAD off 0x0000000081080000 vaddr 0xffff8000ffe00000 paddr 0x00000040ffe00000 align 2**0 filesz 
0x00000002fa7a0000 memsz 0x00000002fa7a0000 flags rwx 
LOAD off 0x000000037b820000 vaddr 0xffff8003fa9e0000 paddr 0x00000043fa9e0000 align 2**0 filesz 
0x0000000004fc0000 memsz 0x0000000004fc0000 flags rwx 
LOAD off 0x00000003807e0000 vaddr 0xffff8003ff9b0000 paddr 0x00000043ff9b0000 align 2**0 filesz 
0x0000000000010000 memsz 0x0000000000010000 flags rwx 
LOAD off 0x00000003807f0000 vaddr 0xffff8003ff9f0000 paddr 0x00000043ff9f0000 align 2**0 filesz 
0x0000000000610000 memsz 0x0000000000610000 flags rwx 

在这个例子中，有一个 note 段，其余的是 load 段。note 段提供了有关 CPU 信息，load 段提供了关于复制的系统内存组件的信息。

vmcore 从 elfcorehdr 开始，它具有与 ELF 程序头相同的结构。参见下图中 elfcorehdr 的表示： 

pratyush_f2.png

kexec-tools 读取 /sys/devices/system/cpu/cpu%d/crash_notes 并准备 CPU PT_NOTE 的标头。同样，它读取 /sys/kernel/vmcoreinfo 并准备 vmcoreinfo PT_NOTE 的标头，从 /proc/iomem 读取系统内存并准备存储器 PT_LOAD 标头。当“捕获内核”接收到 elfcorehdr 时，它从标头中提到的地址中读取数据，并准备 vmcore。

Crash note

Crash notes 是每个 CPU 中用于在系统崩溃的情况下存储 CPU 状态的区域;它有关于当前 PID 和 CPU 寄存器的信息。

vmcoreinfo

该 note 段具有各种内核调试信息，如结构体大小、符号值、页面大小等。这些值由捕获内核解析并嵌入到 /proc/vmcore 中。 vmcoreinfo 主要由 makedumpfile 应用程序使用。在 Linux 内核，include/linux/kexec.h 宏定义了一个新的 vmcoreinfo。 一些示例宏如下所示：

• VMCOREINFO_PAGESIZE()
• VMCOREINFO_SYMBOL()
• VMCOREINFO_SIZE()
• VMCOREINFO_STRUCT_SIZE()

makedumpfile

vmcore 中的许多信息(如可用页面)都没有用处。makedumpfile 是一个用于排除不必要的页面的应用程序，如：

• 填满零的页面;
• 没有私有标志的缓存页面(非专用缓存);
• 具有私有标志的缓存页面(专用缓存);
• 用户进程数据页;
• 可用页面。

此外，makedumpfile 在复制时压缩 /proc/vmcore 的数据。它也可以从转储中删除敏感的符号信息; 然而，为了做到这一点，它首先需要内核的调试信息。该调试信息来自 VMLINUX 或 vmcoreinfo，其输出可以是 ELF 格式或 kdump 压缩格式。

典型用法：

# makedumpfile -l --message-level 1 -d 31 /proc/vmcore makedumpfilecore 

详细信息请参阅 man makedumpfile。

kdump 调试

新手在使用 kdump 时可能会遇到的问题：

kexec -p kernel_image 没有成功

• 检查是否分配了崩溃内存。
• cat /sys/kernel/kexec_crash_size 不应该有零值。
• cat /proc/iomem | grep "Crash kernel" 应该有一个分配的范围。
• 如果未分配，则在命令行中传递正确的 crashkernel= 参数。
• 如果没有显示，则在 kexec 命令中传递参数 -d，并将输出信息发送到 kexec-tools 邮件列表。

在“***内核”的***一个消息之后，在控制台上看不到任何东西(比如“bye”)

• 检查 kexec -e 之后的 kexec -l kernel_image 命令是否工作。
• 可能缺少支持的体系结构或特定机器的选项。
• 可能是 purgatory 的 SHA 验证失败。如果您的体系结构不支持 purgatory 中的控制台，则很难进行调试。
• 可能是“第二内核”早已崩溃。
• 将您的系统的 earlycon 或 earlyprintk 选项传递给“第二内核”的命令行。
• 使用 kexec-tools 邮件列表共享***个内核和捕获内核的 dmesg 日志。

资源

fedora-kexec-tools

• GitHub 仓库：git://pkgs.fedoraproject.org/kexec-tools
• 邮件列表：kexec@lists.fedoraproject.org
• 说明：Specs 文件和脚本提供了用户友好的命令和服务，以便 kexec-tools 可以在不同的用户场景下实现自动化。

kexec-tools

• GitHub 仓库：git://git.kernel.org/pub/scm/utils/kernel/kexec/kexec-tools.git
• 邮件列表：kexec@lists.infradead.org
• 说明：使用内核系统调用并提供用户命令 kexec。

Linux kernel

• GitHub 仓库： git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git
• 邮件列表：kexec@lists.infradead.org
• 说明：实现了 kexec_load()、kexec_file_load()、reboot() 系统调用和特定体系结构的代码，例如 machine_kexec() 和 machine_crash_shutdown()。

Makedumpfile

• GitHub 仓库： git://git.code.sf.net/p/makedumpfile/code
• 邮件列表：kexec@lists.infradead.org
• 说明：从转储文件中压缩和过滤不必要的组件。

(题图：Penguin、 Boot，修改：Opensource.com. CC BY-SA 4.0)