在Ubuntu10.10上升级内核到2.6.36使用systemtap
一直在 linux 平台上做开发工作已经几年了，但对 linux 内核都没有认真研究过，个人对 linux 的了解都停留在系统 api 的使用层面，对 linux 的底层设计了解甚少。在身边的同事，不凡有熟悉 linux 内核的高手，在他们的耳濡目染下，也激发了自己研究 linux 内核的激情，所以在自己的小黑上装上了 vmware 和 Ubuntu10.10 。 下面我将分享一下个人在搭建环境和学习 linux 内核的一些初步准备工作。
我学习 linux 内核分成两个方面，理论学习和实践。理论学习主要偏重理论书籍的阅读，短时间内，我囫囵吞枣的扫描了如下的介绍 linux 内核的书籍，《 linux 内核完全注释》，《 linux 内核修炼之道》，《 linux 内核设计与实现》第二版，《深入理解 linux 内核》第三版，《 独辟蹊径品内核 -- LINUX内核源代码导读 》，还有一本与内核关系不是太大，《 程序员的自我修养— 链接、装载与库》，这些书真的挺理论的，看完了，脑子居然没有留下多少东西，唯一留下的就是感觉 liunx 内核好深奥，真 NB 。这肯定不是我想要的学习效果，我需要的是在学习理论的同时，不断地实践，尽量多的理解自己感兴趣的一些技术设计细节。虽然看这些理论书籍比较枯燥，但通过读这些书籍，我宏观上了解了 linux 内核的架构，知道了内核的学习方法，避免在实践时走弯路。个人对文件系统和网络系统比较感兴趣，但经历有限，只会深入研究其中一个系统，兼顾整个内核系统其它模块的学习。我的案头摆着几本以后要重点学习的书籍，《深入理解 linux 内核》第三版， 《深入理解 linux 架构》，《内核网络栈源代码情景分析》，希望这些理论书籍能提升自己对 linux 内核的了解。
下面谈谈我在内核学习中的一些初期实践工作，碰到不少问题，但还是耐心的一个个解决了。首先去 http://www.kernel.org/ 下载了最新的 linux 内核 2.6.36 ， 让后就开始风风火火的准备看代码了，真的是初生牛犊不怕虎，啃了两天代码，也没有看明白一个小模块，看来盲目的学习不起作用，还是得补习点理论知识，于是借来几本理论书籍开始啃，在理论学习过程中，了解了 x86 的架构，汇编相关知识，内存管理，进程调度，文件系统等初步知识，似乎理解得更多一点了，前期学习的理论知识应该准备得差不多了，应该开始详细分析一些感兴趣的代码了。万事开头难，还得从搭建学习环境开始。
一番准备后，在小黑上装上了 vmware ，并装上了 Ubuntu10.10 ， 但 Ubuntu10.10 自带的内核是 2.6.35.22 ，我的学习目标是 2.6.36 ， 所以首先是要升级内核。编译内核前对编译选项做了一些简单裁剪配置，主要打开了一些用于调试的开关。然后就是一番漫长的等待编译过程，最后 make install 。重启，选择 2.6.36 内核启动， oops ，启动不成功，哪里出问题了？重新进入原来的 2.6.35 内核启动系统，查看 /boot/ 目录，有 initrd.img-2.6.35-22-generic 这个 image ，但却没有 initrd.img-2.6. 36 这个 image ，难道 vmware 需要内核支持 ramdisk 才能启动？我查看了编译内核的配置，“
Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support ”这个选项也选上了，那为什么编译的时候没有生成 initrd.img-2.6. 36 这个 image 呢？经过一番研究，没找到原因，但发现用 make-kpkg 可以编译出这个 image ，于是安装 make-kpkg 。
sudo apt-get install make-kpkg 。
然后进入 linux 源代码的文件夹运行：
make -kpkg --initrd binary-arch
经过一段时间后，在源代码的上层目录生成了三个 deb 的安装文件。
linux-headers-2.6.36_2.6.36-10.00.Custom_i386.deb linux-image-2.6.36_2.6.36-10.00.Custom_i386.deb linux-image-2.6.36-dbg_2.6.36-10.00.Custom_i386.deb
分别安装这个三个包：
sudo dpkg -i l inux-headers-2.6.36_2.6.36-10.00.Custom_i386.deb sudo dpkg -i l inux-image-2.6.36_2.6.36-10.00.Custom_i386.deb sudo dpkg -i linux-image-2.6.36-dbg_2.6.36-10.00.Custom_i386.deb
安装完成后重启系统，选择 2.6.36 内核进入系统，啊，成功启动，兴奋一把。尝试运行系统一些命令，似乎也正常。升级内核该告一个段落了吧，好戏还在后头。
Systemtap 是学习内核一个必不可少的工具，它不仅可以侦测内核空间的相关信息，还可以侦测用户空间的信息，是研究内核源代码，调试系统性能的一个必备工具。在 Ubuntu 下如何安装 Systemtap 请参考：
http://sourceware.org/systemtap/wiki/SystemtapOnUbuntu
运行 sudo apt-get install systemta p 安装 Systemtap 。由于在升级内核的时候已经安装了相应的 debug 信息，
至此内核追踪已经可以执行，但module的信息还需要多做些工作 。
sudo apt-get install elfutils
for file in `find /usr/lib/debug -name '*.ko' -print`
do
buildid=`eu-readelf -n $file| grep Build.ID: | awk '{print $3}'`
dir=`echo $buildid | cut -c1-2`
fn=`echo $buildid | cut -c3-`
mkdir -p /usr/lib/debug/.build-id/$dir
ln -s $file /usr/lib/debug/.build-id/$dir/$fn
ln -s $file /usr/lib/debug/.build-id/$dir/${fn}.debug
Done
到这里应该能运行 stap 执行 hello Word 的程序了吧，先试运行一个简单的
sudo stap -ve 'probe begin { log("hello world") exit() }'
运行出错了， error:‘param_ops_int64_t’ undeclared here (not in a function)
这是什么情况，先不管，再试运行一个脚本
sudo stap -c df -e 'probe syscall.* { if (target()==pid()) log(name." ".argstr) }'
任然遇到上面的错误，在网上搜了一番，原来这是 Systemtap 对 2.6.36 内核支持不好，有这个 bug ， Systemtap 官方网站说这个 bug 已经修复，使用最新的 Systemtap 就好了。于是下面的网站下载最新的 Systemtap 的源代码，编译安装。
http://sources.redhat.com/systemtap/ftp/snapshots/
然后运行 hello Word 脚本，
Pass 1: parsed user script and 75 library script(s) using 16300virt/12368res/1628shr kb, in 920usr/3670sys/4627real ms. Pass 2: analyzed script: 1 probe(s), 2 function(s), 0 embed(s), 0 global(s) using 16564virt/12892res/1688shr kb, in 170usr/260sys/526real ms. Pass 3: translated to C into "/tmp/stapa7GBqo/stap_5d4a1f5ec0c40981d6d84405569c6127_669.c" using 16564virt/13116res/1896shr kb, in 150usr/130sys/277real ms. Pass 4: compiled C into "stap_5d4a1f5ec0c40981d6d84405569c6127_669.ko" in 8880usr/18060sys/27864real ms. Pass 5: starting run. hello world Pass 5: run completed in 60usr/2650sys/2871real ms.
试运行一下能否侦测系统函数的调用堆栈，这个功能在看源代码的时候用得着，脚本如下：
#!/usr/bin/stap
probe kernel.function("do_timer").return {
print_backtrace();
printf("\n");
exit();
}
运行输出如下：
Returning from: 0xc0155e60 : do_timer+0x0/0x30 [kernel] Returning to : 0xc017574d : tick_do_update_jiffies64+0xed/0x170 [kernel] 0xc017597c : tick_sched_timer+0xbc/0xd0 [kernel] 0xc0169a0a : __run_hrtimer+0x7a/0x1c0 [kernel] 0xc0169df0 : hrtimer_interrupt+0x130/0x2a0 [kernel] 0xc05d08e6 : smp_apic_timer_interrupt+0x56/0x8a [kernel] 0xc05ca5d9 : apic_timer_interrupt+0x31/0x38 [kernel] 0xc012ab4a : native_safe_halt+0xa/0x10 [kernel] (inexact) 0xc0109e93 : default_idle+0x53/0xb0 [kernel] (inexact) 0xc0101e4a : cpu_idle+0x8a/0xf0 [kernel] (inexact) 0xc05c4242 : start_secondary+0x1ec/0x1f2 [kernel] (inexact)
不错， Systemtap 对内核的侦测功能应该运行正常了，下面我们来尝试一下 Systemtap 对用户空间的侦测功能，在开发过程中，我们也不时用 Systemtap 来侦测函数的调用堆栈，调用频率，性能如何等等。先写个简单的程序 test.c 试试看。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
void func()
{
int i = 0;
int count = 0;
for (i = 0; i < 1000000; ++i)
{
++count;
}
}
int main(int argc, char** argv)
{
func();
return 0;
}
编译 gcc -g test.c -o test ，用户程序要使用 Systemtap 需要在编译时加 -g 选项。写个简单的脚本 calltime.stp 来测试“ func ”的执行时间。
#!/usr/bin/stap
global tm
global call_time
probe begin {
printf(":\)\n");
}
probe process("./test").function("func") {
tm = gettimeofday_ns();
}
probe process("./test").function("func").return {
call_time <<< (gettimeofday_ns() - tm);
printf("func call_time: %d\n", @avg(call_time));
}
probe end {
if (@count(call_time) > 0) {
printf("func call_time: %d\n", @avg(call_time));
}
}
运行 sudo ./calltime.stp ， 运行出错了， SystemTap不支持process(" ./test ")的用户 空间 的调试的方法 ，在网上搜罗一番，原来是 Systemtap 对用户空间的调试需要 utrace 支持， utrace 只是在 redhat 系统做了支持， Ubuntu 系统中默认不支持，内核也是默认不支持 utrace 。问题找到了，先给内核打上 utrace 的补丁，到如下网站下载 utrace 对 2.6.36 内核的补丁。
http://people.redhat.com/roland/utrace/
补丁的顺序如下：
>cd /src/linux2 .6.36 >patch – p1 <tracehook.patch >patch – p1 <utrace.patch >patch – p1 <utrace-ptrace.patch
打好补丁之后，重新编译内核，注意需要选中 utrace 选项 “ General setup ” --> “ Infrastructure for tracing and debugging user processes ” 。 然后就是按照上面的步骤重新升级内核，内核升级完成后，先运行
sudo ./calltime.stp
等待出现“ :) ”，然后运行 ./test
结果是这样的
:) func call_time: 10291909
至此，终于配置好了，可以在系统中作更多的测试学习了。