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内核版本：Linux v6.14

本文面向 x86_64 主机，以 Ubuntu / Debian 系发行版为例，说明如何依次完成：获取内核源码、配置并编译带调试信息的内核、使用 QEMU 加载内核、通过 GDB 远程连接并设置断点（以 start_kernel 为例）。

说明与约定：

  1. 文中 /你的/内核源码路径 须替换为本地内核源码根目录的实际路径（例如 /home/username/linux）。下文 cd /你的/内核源码路径 表示在该目录下执行后续命令。
  2. 首次完整编译耗时可达数十分钟，属正常现象。
  3. 本文目标限于 验证内核启动路径可被调试器截获；若未配置磁盘根文件系统，启动后期可能出现错误信息或停滞，但不妨碍在早期入口练习断点与栈回溯。

一、安装依赖

在终端执行：

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y build-essential bc bison flex libssl-dev libelf-dev \
    qemu-system-x86 gdb git

确认可执行文件已在 PATH 中：

which qemu-system-x86_64
which gdb

两条命令均有输出即可继续，输出如下（供参考）：

root@devhost:/data/workspace/opensource/linux# 
which qemu-system-x86_64
which gdb

/usr/bin/qemu-system-x86_64
/usr/bin/gdb

二、获取 Linux 内核源码

若本地已有与目标版本一致的内核树，可跳过本节，直接进入 第三节。

以下任选一种方式；得到源码树后，其根目录即下文 /你的/内核源码路径。

2.1 使用 Git 克隆（便于切换标签、增量更新）

在用于存放源码的父目录下执行（示例检出 v6.14 标签，与文头内核版本一致；若需其他版本，将标签名改为对应 vX.Y 或 vX.Y.Z）：

cd /你的/父目录

git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git linux
cd linux
git checkout v6.14

若仅需浅克隆以节省时间与空间，可使用：

git clone --depth=1 --branch v6.14 \
    https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git linux
cd linux

亦可使用 stable 仓库（https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git），此时标签多为 v6.14.x 形式，请与所需修订号一致。

2.2 使用官方发布 tarball

在 https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/ 下载与目标版本一致的 linux-6.14.x.tar.xz（x 为小版本号），解压：

tar -xf linux-6.14.x.tar.xz
cd linux-6.14.x

解压后的目录即为内核源码根目录。

2.3 空间与路径说明

源码树与一次完整构建通常各需 数 GB 磁盘空间；若使用 ccache 或 O= 分离构建目录，请为对象目录预留额外空间。完成后请确认 /你的/内核源码路径 下可见 README、Makefile 等顶层文件。

三、编写调试用 Kconfig 片段与 GDB 调试信息说明

在内核源码根目录创建文件 gdb-minimal.config，写入以下内容并保存：

CONFIG_DEBUG_KERNEL=y
CONFIG_DEBUG_INFO=y
CONFIG_DEBUG_INFO_DWARF_TOOLCHAIN_DEFAULT=y
CONFIG_GDB_SCRIPTS=y
# CONFIG_DEBUG_INFO_REDUCED is not set

若 gdb-minimal.config 未放在源码根目录，第四节 中合并命令里 gdb-minimal.config 的路径须改为相对当前工作目录或绝对路径。

3.1 与 GDB 相关的调试信息（为何需要上述选项）

  • vmlinux 与 bzImage：vmlinux 为链接器生成的 ELF 映像，通常带有 DWARF 调试信息，是 GDB 加载符号、源码行号与类型的依据。arch/x86/boot/bzImage 为供引导程序或 QEMU -kernel 使用的压缩启动映像；远程调试时仍应让 GDB 打开与本次构建对应的 ./vmlinux，而不是 bzImage。
  • CONFIG_DEBUG_INFO：指示编译器生成调试信息；若配置为 CONFIG_DEBUG_INFO_NONE，则无法在 break 函数名、查看变量与栈 等场景下正常使用符号，故本实践须开启。
  • CONFIG_DEBUG_INFO_DWARF_TOOLCHAIN_DEFAULT：使用工具链默认的 DWARF 版本生成上述信息，与常见 GCC/GDB 组合兼容。
  • # CONFIG_DEBUG_INFO_REDUCED is not set：DEBUG_INFO_REDUCED 会削减类型等调试信息，不利于结构体成员、内核辅助脚本等对完整 DWARF 的依赖，故显式关闭。
  • CONFIG_GDB_SCRIPTS：启用后，执行 make scripts_gdb（以及部分配置下 make 依赖）会在构建树中安装 vmlinux-gdb.py 的链接；GDB 自动加载后可使用 lx-dmesg、lx-symbols 等内核提供的命令（可参考 Documentation/process/debugging/gdb-kernel-debugging.rst）。
  • CONFIG_FRAME_POINTER（建议保持开启）：官方调试文档建议在架构支持时保留帧指针，栈回溯更可靠；x86_64_defconfig 通常已包含，一般无需在片段里重复写。

构建完成后，可用 file vmlinux 观察是否为 ELF 且包含 not stripped 或调试相关段（具体输出随工具链略有差异），以作辅助确认。

四、配置与编译

在终端中进入内核源码根目录后执行：

cd /你的/内核源码路径

make x86_64_defconfig
./scripts/kconfig/merge_config.sh -m .config gdb-minimal.config
make olddefconfig
make -j$(nproc)
make scripts_gdb

步骤说明：

  • make x86_64_defconfig：生成 x86_64 默认配置。
  • merge_config.sh：第一个参数必须是当前基线 .config，其后才是片段 gdb-minimal.config。脚本会把片段中的选项合并进 .config（与内核文档中 merge_config.sh .config …/某片段 的用法一致）。不要写成只带一个参数 gdb-minimal.config：那样会把片段误当作基线配置，再经脚本内部的 alldefconfig 流程处理，不再等价于在 x86_64_defconfig 之上叠加调试选项。
  • -m：只写回合并后的 .config，不额外调用 make；随后由 make olddefconfig 统一解析依赖。
  • make olddefconfig：解析新选项依赖并写回 .config。
  • make -j$(nproc)：执行内核构建。
  • make scripts_gdb：安装 GDB 辅助脚本链接；部分配置下 make 已包含该步骤，显式执行一次可保证产物完整。

构建成功后，源码根目录应存在 vmlinux 与 arch/x86/boot/bzImage。若缺失，请根据构建日志中的报错信息排查。

编译后的产物如下所示（供参考）：

root@devhost:/data/workspace/opensource/linux# ll vmlinux
-rwxr-xr-x 1 root root 90409136 Apr 11 22:26 vmlinux*

root@devhost:/data/workspace/opensource/linux# ll arch/x86/boot/bzImage
-rw-r--r-- 1 root root 3421184 Apr 11 22:26 arch/x86/boot/bzImage

五、启动 QEMU 并暴露 GDB 接口

另开一终端，进入同一内核源码根目录，执行：

cd /你的/内核源码路径

qemu-system-x86_64 \
    -machine q35 \
    -m 512M \
    -smp 2 \
    -kernel arch/x86/boot/bzImage \
    -append "nokaslr console=ttyS0" \
    -display none \
    -monitor none \
    -serial null \
    -S -s -daemonize

主要参数含义：

  • -kernel arch/x86/boot/bzImage：指定引导映像。
  • append 中的 nokaslr：运行期关闭内核加载基址随机化，便于地址与符号一致对应。若改用编译期关闭，可配置 CONFIG_RANDOMIZE_BASE 为 n（与 nokaslr 二选一或并用，按习惯即可）；官方文档见 Documentation/process/debugging/gdb-kernel-debugging.rst。
  • -s：在 TCP 1234 上提供 GDB 远程调试桩。
  • -S：初始暂停 vCPU，直至 GDB 侧执行 continue。
  • -serial null：串口输出丢弃；配合 console=ttyS0 时本机终端看不到内核串口日志，仅适合只靠断点验证的极简场景。若要观察启动日志，可改为 -serial stdio（并视需要去掉 -daemonize，以免与前台串口冲突）。
  • -daemonize：以后台方式运行 QEMU，释放当前终端。

运行效果如下（供参考）：

root@devhost:/data/workspace/opensource/linux# qemu-system-x86_64 \
    -machine q35 \
    -m 512M \
    -smp 2 \
    -kernel arch/x86/boot/bzImage \
    -append "nokaslr console=ttyS0" \
    -display none \
    -monitor none \
    -serial null \
    -S -s -daemonize
    
root@devhost:/data/workspace/opensource/linux# ss -tlnp | grep 1234
LISTEN 0      1            0.0.0.0:1234       0.0.0.0:*    users:(("qemu-system-x86",pid=349079,fd=3))
LISTEN 0      1               [::]:1234          [::]:*    users:(("qemu-system-x86",pid=349079,fd=9))

若出现 1234 端口已被占用，可先结束遗留的 QEMU 进程，例如：

pkill -f 'qemu-system-x86_64.*arch/x86/boot/bzImage' || true

然后重新执行上述 qemu-system-x86_64 命令行。

若启动参数中的 -kernel 改为 bzImage 的绝对路径，上述 pkill 正则可能匹配不到进程。此时可先执行 pgrep -a qemu-system-x86_64 查看命令行，再对对应 PID 使用 kill；请避免误结束本机其他 QEMU 虚拟机。

可选加速（需本机具备 KVM 且用户对 /dev/kvm 有访问权限）：在 qemu-system-x86_64 之后、-machine q35 之前插入：

    -enable-kvm \
    -cpu host \

若执行失败或环境不支持，请删去上述两行，使用默认 TCG 模拟。

六、GDB 连接与断点

在用于调试的终端中进入内核源码根目录，执行：

cd /你的/内核源码路径

gdb -iex "add-auto-load-safe-path $(pwd)" ./vmlinux

说明：内核官方文档 Documentation/process/debugging/gdb-kernel-debugging.rst 要求向 GDB 登记的是构建目录（源码内构建时即源码根目录 $(pwd)），而不是 vmlinux-gdb.py 单文件路径；add-auto-load-safe-path 的语义也是允许从该目录加载自动加载脚本。

gdb 运行后的效果如下（供参考）：

root@devhost:/data/workspace/opensource/linux# gdb -iex "add-auto-load-safe-path $(pwd)" ./vmlinux
GNU gdb (Ubuntu 15.1-1ubuntu1~24.04.1) 15.1
Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.
Type "show copying" and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "x86_64-linux-gnu".
Type "show configuration" for configuration details.
For bug reporting instructions, please see:
<https://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>.
Find the GDB manual and other documentation resources online at:
    <http://www.gnu.org/software/gdb/documentation/>.

For help, type "help".
Type "apropos word" to search for commands related to "word"...
Reading symbols from ./vmlinux...
(gdb)

出现 (gdb) 提示符后，依次输入：

target remote localhost:1234
break start_kernel
continue

若配置与连接正确，执行流应在 start_kernel 处停止，并打印断点命中信息。此时可使用 bt 查看栈回溯，step 单步进入，continue 继续运行。退出时使用 quit 并确认。

运行效果如下（供参考）：

(gdb) target remote localhost:1234
Remote debugging using localhost:1234
0x000000000000fff0 in ?? ()
(gdb) break start_kernel
Breakpoint 1 at 0xffffffff81aa2b20: file init/main.c, line 897.
(gdb) continue
Continuing.

Thread 1 hit Breakpoint 1, start_kernel () at init/main.c:897
897	{
(gdb) bt
#0  start_kernel () at init/main.c:897
#1  0xffffffff81aac198 in x86_64_start_reservations (real_mode_data=real_mode_data@entry=0x13ab0 <error: Cannot access memory at address 0x13ab0>)
    at arch/x86/kernel/head64.c:515
#2  0xffffffff81aac2d3 in x86_64_start_kernel (real_mode_data=0x13ab0 <error: Cannot access memory at address 0x13ab0>)
    at arch/x86/kernel/head64.c:496
#3  0xffffffff8121e9bf in secondary_startup_64 () at arch/x86/kernel/head_64.S:420
#4  0x0000000000000000 in ?? ()
(gdb)

说明：-iex add-auto-load-safe-path 须在加载 vmlinux 时一并传入，以满足 GDB 对自动加载脚本的安全策略，避免 vmlinux-gdb.py 被拒绝执行；路径填内核构建根目录（与上文 $(pwd) 一致）。加载成功后，第三节 所述 lx-* 类命令方可在 (gdb) 内使用。

栈回溯中的 Cannot access memory：早期启动栈里若出现 real_mode_data 等实地址/引导阶段指针，在 start_kernel 附近用 bt 可能提示无法访问，多为预期现象，不代表断点失败。

七、在其他符号处设置断点（示例：fork.c）

在 (gdb) 中建议优先使用符号名（与版本无关、可读性更好）：

break kernel_clone
continue

kernel_clone 定义于 kernel/fork.c，一般为全局符号。仅当 break kernel_clone 无法解析时，再改用 源文件:行号（行号随版本变化，以下为 v6.14 参考；以本机构建下 GDB 解析到的行号为准）：

break kernel/fork.c:2775

运行效果如下（供参考）：

(gdb) break kernel_clone
Breakpoint 2 at 0xffffffff8125dd10: file kernel/fork.c, line 2775.
(gdb) continue
Continuing.

Thread 1 hit Breakpoint 2, kernel_clone (args=args@entry=0xffffffff81803e58) at kernel/fork.c:2775
2775	{
(gdb) bt
#0  kernel_clone (args=args@entry=0xffffffff81803e58) at kernel/fork.c:2775
#1  0xffffffff8125e3ca in user_mode_thread (fn=fn@entry=0xffffffff815c27c0 <kernel_init>, arg=arg@entry=0x0, flags=flags@entry=512)
    at kernel/fork.c:2893
#2  0xffffffff815c2729 in rest_init () at init/main.c:708
#3  0xffffffff81aa3081 in start_kernel () at init/main.c:1099
#4  0xffffffff81aac198 in x86_64_start_reservations (real_mode_data=real_mode_data@entry=0x13ab0 <error: Cannot access memory at address 0x13ab0>)
    at arch/x86/kernel/head64.c:515
#5  0xffffffff81aac2d3 in x86_64_start_kernel (real_mode_data=0x13ab0 <error: Cannot access memory at address 0x13ab0>)
    at arch/x86/kernel/head64.c:496
#6  0xffffffff8121e9bf in secondary_startup_64 () at arch/x86/kernel/head_64.S:420
#7  0x0000000000000000 in ?? ()
(gdb)

在未提供用户态根文件系统的情况下，与进程创建相关的路径可能难以触发；start_kernel 处的断点更适合作为入门验证。在配置 initrd 或磁盘根文件系统后，上述断点命中概率会显著提高。

若 vmlinux-gdb.py 已成功加载，可尝试（可选）：

lx-dmesg

八、常见问题

现象建议处理
编译阶段缺少 gelf.h / libelf.h安装 libelf-dev，参见 第一节
target remote 失败确认 QEMU 已启动；执行 ss -tlnp，在输出中查找 1234 端口是否处于监听状态
auto-load 相关警告使用 第六节 中的 gdb -iex “add-auto-load-safe-path $(pwd)” ./vmlinux 形式（路径为内核构建根目录）
break 无法解析符号确认 第三节、第四节 中 gdb-minimal.config 已合并且构建成功；避免 CONFIG_DEBUG_INFO_NONE

九、总结

完成 第六节 中 start_kernel 断点验证后，即已建立 QEMU + GDB 的基本调试链路；后续可在该链路之上扩展根文件系统、驱动或子系统调试。