Linux 内核崩溃的检测工具 Kdump

kexec 是一个 linux 内核到内核的引导加载程序，可以帮助从第一个内核的上下文引导到第二个内核。kexec 会关闭第一个内核，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，当第一个内核崩溃时第二个内核启动，第二个内核用于复制第一个内核的内存转储，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“第一内核”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：

/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。
/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

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–reuse-command 参数表示使用与“第一内核”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

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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“第一内核”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“第一内核”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，从第一个 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“第一内核”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“第一内核”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);

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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 */
};

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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);

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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

当第一个内核崩溃时，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；
• 最后，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

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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

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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“第一内核”的最后一个消息之后，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 邮件列表共享第一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：[email protected]
• 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：[email protected]
• 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：[email protected]
• 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：[email protected]
• 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）

作者简介：

Pratyush Anand – Pratyush 正在以以为 Linux 内核专家的身份与 Red Hat 合作。他主要负责 Red Hat 产品和上游所面临的几个 kexec/kdump 问题。他还处理 Red Hat 支持的 ARM64 平台周围的其他内核调试、跟踪和性能问题。除了 Linux 内核，他还在上游的 kexec-tools 和 makedumpfile 项目中做出了贡献。他是一名开源爱好者，并在教育机构举办志愿者讲座，促进了 FOSS。

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