kernel 3.10内核源码分析--BUG_ON流程

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一、问题

在dmesg或messages中常见BUG_ON的相关打印，如：

------------[ cut here ]------------

kernel BUG at ...

也常见其它的异常打印，比如page_fault相关的，softlockup相关的，有时候不太好区分它们之间的差别，但区分它们却是否重要，直接关系着对问题本质的判断。

这里简单分析了一下BUG_ON在3.10 kernel代码中的实现。

二、基本原理

BUG_ON通过BUG宏实现。BUG最终是通过执行ud2汇编指令实现。ud2指令看起来有点陌生，大概就是undefine的意思，是一种让CPU产生invalid opcode异常的软件指令，此时会有相应的异常事件上报，内核捕获相应的异常，由预先注册的异常处理接口进行处理：打印相关错误信息，最终根据配置进行kdump或panic或停止当前进程。

三、代码分析

1、BUG_ON宏定义

BUG_ON宏定义，判断condition是否成立，成立则调用BUG()：

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1. #define BUG_ON(condition) do { if (unlikely(condition)) BUG(); }

BUG()宏定义，本质是调用ud2汇编指令

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1. #define BUG()    \
2. do {    \
3. asm volatile("1:\tud2\n"    \
4. ".pushsection __bug_table,\"a\"\n"    \
5. __BUG_C0    \
6. "\t.word %c1, 0\n"    \
7. "\t.org 2b+%c2\n"    \
8. ".popsection"    \
9. : : "i" (__FILE__), "i" (__LINE__),    \
10. "i" (sizeof(struct bug_entry)));    \
11. unreachable();    \
12. } while (0)

其中，'c' 在gcc中, 叫做operand code, 用在常量变量(constraint表示'i')和条件判断指令中. 作用是将这个常量值打印在指令中，对于常量如果不用‘c’，上述会出问题，不能正常运行。

其他都是assembler directive，主要目的是将bug相关的信息，比如文件名、行号等保存到预先定义好的bug_table中。 

2、invalid opcode异常初始化流程

start_kernel

    ->trap_init

        ->set_intr_gate(X86_TRAP_UD, invalid_op);

invalid_op由汇编实现，代码在entry_32.S中，最终调用do_invalid_op

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1. ENTRY(invalid_op)
2. RING0_INT_FRAME
3. ASM_CLAC
4. pushl_cfi $0
5. pushl_cfi $do_invalid_op
6. jmp error_code
7. CFI_ENDPROC
8. END(invalid_op)

do_invalid_op的实现代码中不好找，主要是因为其不是直接实现的，而是通过宏实现，关键字不好搜。内核中这种实现方式还比较多，比如page的几个flag的判断接口。

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1. DO_ERROR_INFO(X86_TRAP_UD, SIGILL, "invalid opcode", invalid_op, ILL_ILLOPN,
2. regs->ip)

DO_ERROR_INFO宏实现：

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1. #define DO_ERROR_INFO(trapnr, signr, str, name, sicode, siaddr)        \
2. dotraplinkage void do_##name(struct pt_regs *regs, long error_code)    \
3. {                                    \
4. siginfo_t info;                            \
5. enum ctx_state prev_state;                    \
6. \
7. info.si_signo = signr;                        \
8. info.si_errno = 0;                        \
9. info.si_code = sicode;                        \
10. info.si_addr = (void __user *)siaddr;                \
11. prev_state = exception_enter();                    \
12. if (notify_die(DIE_TRAP, str, regs, error_code,            \
13. trapnr, signr) == NOTIFY_STOP) {        \
14. exception_exit(prev_state);                \
15. return;                            \
16. }                                \
17. conditional_sti(regs);                        \
18. do_trap(trapnr, signr, str, regs, error_code, &info);        \
19. exception_exit(prev_state);                    \
20. }

3、invalid opcode异常处理流程

do_trap流程：

do_trap()

    ->do_trap_no_signal()

        ->die()

            ->report_bug()

            ->__die()

do_trap()->do_trap_no_signal():

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1. static int __kprobes
2. do_trap_no_signal(struct task_struct *tsk, int trapnr, char *str,
3. struct pt_regs *regs,    long error_code)
4. {
5. #ifdef CONFIG_X86_32
6. /*判断是否有VM86标记，如果有的话，则进行相关处理。*/
7. if (regs->flags & X86_VM_MASK) {
8. /*
9. * Traps 0, 1, 3, 4, and 5 should be forwarded to vm86.
10. * On nmi (interrupt 2), do_trap should not be called.
11. */
12. /*当异常号小于6时(不包括2(NMI)，NMI不会进入到do_trap流程)，进入vm86处理。*/
13. if (trapnr < X86_TRAP_UD) {
14. if (!handle_vm86_trap((struct kernel_vm86_regs *) regs,
15. error_code, trapnr))
16. return 0;
17. }
18. return -1;
19. }
20. #endif
21. /*是否发生异常时处于内核态?*/
22. if (!user_mode(regs)) {
23. /*查找fixup表，看是否有预定义好的修正处理，有的话就进行相关处理*/
24. if (!fixup_exception(regs)) {
25. /*设置错误码和异常号到任务描述符中*/
26. tsk->thread.error_code = error_code;
27. tsk->thread.trap_nr = trapnr;
28. /*调用die，进入"死机"流程*/
29. die(str, regs, error_code);
30. }
31. return 0;
32. }
33. return -1;
34. }

do_trap()->do_trap_no_signal()->die():

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1. /*
2. * This is gone through when something in the kernel has done something bad
3. * and is about to be terminated:
4. */
5. /*内核出问题了，进入终止流程*/
6. void die(const char *str, struct pt_regs *regs, long err)
7. {
8. /*oops前的相关处理，包括关闭相关trace，获取die相关的锁等(防止死锁)*/
9. unsigned long flags = oops_begin();
10. int sig = SIGSEGV;
11. /*如果是内核态触发，则应该是内核bug了，需要打印相关提示*/
12. if (!user_mode_vm(regs))
13. /*报告bug，打印相关信息*/
14. report_bug(regs->ip, regs);
15. /*打印相关信息，包括EIP，堆栈等。*/
16. if (__die(str, regs, err))
17. sig = 0;
18. /*是否die相关的锁，并根据情况进行kdump或panic*/
19. oops_end(flags, regs, sig);
20. }

do_trap()->do_trap_no_signal()->report_bug():

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1. /*报告bug，打印相关信息*/
2. enum bug_trap_type report_bug(unsigned long bugaddr, struct pt_regs *regs)
3. {
4. const struct bug_entry *bug;
5. const char *file;
6. unsigned line, warning;
7. if (!is_valid_bugaddr(bugaddr))
8. return BUG_TRAP_TYPE_NONE;
9. /*通过出错的IP指针从"bug_table"中找到相关的错误信息，包括行号之类的*/
10. bug = find_bug(bugaddr);
11. file = NULL;
12. line = 0;
13. warning = 0;
14. if (bug) {
15. #ifdef CONFIG_DEBUG_BUGVERBOSE
16. #ifndef CONFIG_GENERIC_BUG_RELATIVE_POINTERS
17. file = bug->file;
18. #else
19. file = (const char *)bug + bug->file_disp;
20. #endif
21. line = bug->line;
22. #endif
23. warning = (bug->flags & BUGFLAG_WARNING) != 0;
24. }
25. if (warning) {
26. /* this is a WARN_ON rather than BUG/BUG_ON */
27. printk(KERN_WARNING "------------[ cut here ]------------\n");
28. if (file)
29. printk(KERN_WARNING "WARNING: at %s:%u\n",
30. file, line);
31. else
32. printk(KERN_WARNING "WARNING: at %p "
33. "[verbose debug info unavailable]\n",
34. (void *)bugaddr);
35. print_modules();
36. show_regs(regs);
37. print_oops_end_marker();
38. /* Just a warning, don't kill lockdep. */
39. add_taint(BUG_GET_TAINT(bug), LOCKDEP_STILL_OK);
40. return BUG_TRAP_TYPE_WARN;
41. }
42. printk(KERN_DEFAULT "------------[ cut here ]------------\n");
43. if (file)
44. /*打印bug提示，就是平常常见的打印了*/
45. printk(KERN_CRIT "kernel BUG at %s:%u!\n",
46. file, line);
47. else
48. printk(KERN_CRIT "Kernel BUG at %p "
49. "[verbose debug info unavailable]\n",
50. (void *)bugaddr);
51. return BUG_TRAP_TYPE_BUG;
52. }