使用GDB调试Linux内核空指针问题

1.概述

在Linux内核开发中，我们会经常遇到访问空指针导致内核Oops或panic。遇到这种问题，需要先定位出是哪一个函数、哪一个变量导致的异常。通常情况下，Linux内核会打印出异常时的栈、模块、CPU寄存器等信息，但某些情况下，栈被破环，只能输出寄存器信息（U-Boot发生异常时只会输出寄存器信息），那我们只能根据寄存器信息还原出发生异常时的现场。

2，实例

如下图所示，内核明确的出了异常原因-访问空指针，空指针解引用地址为0x00000003（若异常地址不为0，应该是访问了某个结构体中的变量，加上了偏移地址），发生异常的函数为__dwc3_gadget_ep_set_halt，上一个调用函数为dwc3_ep0_stall_and_restart。

pc寄存器保存了CPU执行的指令地址（0xffffff8008734ae4），可以根据该地址得到异常发生时调用的函数和访问的变量，lr保存了上一个调用函数的地址（0xffffff80087369e4）。下面使用gdb，还原发生异常时的现场。

1. 首先启动aarch64-linux-gnu-gdb，使用file命令读取vmlinux镜像，获取Linux内核的所有符号。

2. 使用list命令获取指令地址附件的符号。
   如下图所示，0xffffff8008734ae4地址在__dwc3_gadget_ep_set_halt函数中，内部调用了usb_endpoint_xfer_isoc内联函数，异常就发生在该内联函数中。

__dwc3_gadget_ep_set_halt函数部分代码如下，三个参数分别使用x0、x1、x2寄存器传递，内部调用了usb_endpoint_xfer_isoc内联函数。

[drivers/usb/dwc3/gadget.c]
int __dwc3_gadget_ep_set_halt(struct dwc3_ep *dep, int value, int protocol)
{
	struct dwc3_gadget_ep_cmd_params	params;
	struct dwc3				*dwc = dep->dwc;
	int					ret;

	if (usb_endpoint_xfer_isoc(dep->endpoint.desc)) {
		dev_err(dwc->dev, "%s is of Isochronous type\n", dep->name);
		return -EINVAL;
	}

	memset(&params, 0x00, sizeof(params));
    ......
	return ret;
}

如下图所示，lr寄存器保存的地址指向了dwc3_ep0_stall_and_restart函数，该函数内部调用了__dwc3_gadget_ep_set_halt函数。

3. 使用x命令获取异常指令附近的汇编代码。可以使用x/20i 0xffffff8008734ae4命令获取异常地址以后的20条汇编指令，也可以使用x/20i __dwc3_gadget_ep_set_halt命令直接获取发生异常的函数的汇编代码。上面已经明确了发生异常的函数，因此这里直接获取该函数的汇编代码，便于分析。
   如下图红框3所示，异常地址0xffffff8008734ae4处是一条内存加载指令，将x0寄存器中保存的地址加2得到一个新的地址，再将该地址处的一个字节的数据保存到w0寄存器中。x0寄存器由红框2更新，其保存的数据来自于x19寄存器保存的地址加56。如红框1所示，x19寄存器的值又来自于x0，而x0是函数的第一个参数，即端点数据结构struct dwc3_ep的地址，地址为x19: ffffffc0f0b5c400。红框2和红框3都是对struct dwc3_ep数据结构内部变量的访问，偏移值56和3是内部变量相对于结构体基地址的偏移。

4. 上面我们已经明确了发生异常的函数和访问的数据结构，现在我们需要根据偏移值确定访问的具体变量。
   使用ptype /o struct dwc3_ep命令获取struct dwc3_ep数据结构各个变量的偏移值.如下图所示，偏移值为56的变量为struct usb_ep结构体中的desc变量，即端点描述符的地址。

使用ptype /o struct usb_endpoint_descriptor命令获取struct usb_endpoint_descriptor数据结构各个变量的偏移值。如下图所示，偏移值为3的变量为bmAttributes，即端点的属性。

从上面的分析中可以看出，红框3中[x0, #3]=0x00000003，x0中保存的地址为NULL，即指针变量desc是一个空指针，空指针解引用时发生了异常，也即在内联函数usb_endpoint_xfer_isoc中访问bmAttributes变量导致了异常。后续我们只需要排查是什么原因导致了指针变量desc变为空指针即可。