C
Linux 内核开发笔记：休眠唤醒、Proc 文件系统、调试与性能工具
档记录了 Linux 内核开发中的关键技术点，涵盖系统休眠与唤醒机制、Proc 文件系统接口创建、内核堆栈追踪、Printk 日志等级及动态调试方法、Trace 追踪工具以及多种性能分析工具的使用。内容包括电源管理操作、等待队列应用、内核调试接口实现细节及系统性能瓶颈排查技巧，旨在帮助开发者理解内核行为并进行有效调试。
档记录了 Linux 内核开发中的关键技术点，涵盖系统休眠与唤醒机制、Proc 文件系统接口创建、内核堆栈追踪、Printk 日志等级及动态调试方法、Trace 追踪工具以及多种性能分析工具的使用。内容包括电源管理操作、等待队列应用、内核调试接口实现细节及系统性能瓶颈排查技巧，旨在帮助开发者理解内核行为并进行有效调试。
休眠状态指的是一种系统低功耗运行状态。在此状态下，各种支持休眠模式的外围设备也都全部进入休眠模式，CPU 挂起，所有用户态应用程序和内核态进程全部被冻结，内存处于自刷新模式。系统处于休眠状态会屏蔽所有除唤醒之外的所有命令，直到系统被某种原因唤醒才会解除此种状态。
// cat /sys/power/state【freeze: 可快速恢复，mem: 长时间省电】：支持哪些挂起模式，不是当前状态
// echo freeze/mem > /sys/power/state：触发休眠，命令敲完后，串口卡住没反应了（在/sys/power/autosleep【CONFIG_PM_AUTOSLEEP：自动休眠唤醒】是 off 状态才行）
// kernel/power/suspend.c: int pm_suspend(suspend_state_t state)
// autosleep 也是调用这行函数
{
error = enter_state(state);
// 进入 suspend 状态，具体的状态根据 state 值而定，如果执行成功的话，一直到系统退出 suspend 的状态后此函数才退出
}
// 如果外设没有实现 dev_pm_ops，那么外设对于休眠唤醒没有任何动作
struct dev_pm_ops {
int (*suspend)(struct device *dev); // 休眠，下电，与下面成对出现
int (*resume)(struct device *dev); // 唤醒，上电
...
int (*runtime_suspend)(struct device *dev); // 单设备：并不是要求设备一定要进入低功耗状态，而是要求设备在 suspend 后，不再处理数据，不再和 CPUs、RAM 进行任何的交互，直到设备的 runtime_resume 被调用
int (*runtime_resume)(struct device *dev);
};
如整机休眠时调用下面外设的.suspend。
如下查看哪个驱动模块当前有活跃锁，导致整机休眠不下去。自动休眠唤醒 suspend 控制器发现如果 /sys/kernel/debug/wakeup_sources 中 active_since 一列都为 0 即没有持锁（即没有唤醒）就休眠。
如下 __pm_relax 用来释放先前通过 __pm_stay_awake 增加的唤醒请求即 active_since 一列。
如按触屏和播放视频都不能休眠。
/* 有时候进程在读设备时，发现设备数据还没准备好，没办法正常读取设备。或在写设备时，发现设备缓冲区满，没办法正常写设备。进程在操作设备时，如果条件不满足，就让它进入休眠等待，直到条件满足，就可唤醒进程进行后面操作。
初始化：DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD() // 初始化等待队列头，宏的静态方式 或 wait_queue_head_t wq; // 动态方式 init_waitqueue_head(&wq);
休眠：wait_event() // 不可被打断，死等，直到满足条件为止
wait_event_interruptible() // 可使用信号打断它，常用
唤醒：wake_up() // 对应 wait_event()
wake_up_interruptible() // 对应上面可中断方式休眠的进程 wait_event_interruptible()
*/
#include <linux/wait.h>
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(wq);
{
// hc_read 函数中
printk(KERN_INFO "read hc_dev %p\n", hc_dev);
// wait_event(wq, hc_dev->c != NULL); // 第一个参数：等待队列头。第二个参数：等待条件：如果设备字符串区（即 echo 值进设备文件里）为空就进入等待（唤醒方法在 write 函数中）。
wait_event_interruptible(wq, hc_dev->c != NULL);
}
{
// hc_write 函数中
printk(KERN_INFO "%s write done", current->comm);
wake_up(&wq); // 当写入字符设备成功后调用 wakeup 函数唤醒等待队列上的进程
wake_up_interruptible(&wq);
return count;
}
如下等待条件满足，如上 卡住的即休眠的进程 会正常退出（两个进程 cat 卡住休眠，执行如下一行，两个进程都不会卡住）。
/* 新调试方法：利用 proc 文件系统在 pro 文件夹下创建接口，读写这个接口就可实现对内核的调试
struct proc_ops // pro 文件夹下创建接口第一种方式 proc_create()
struct seq_operations // 第二种方式 proc_create_seq()
remove_proc_entry // 移除接口
*/
#include <linux/module.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/string.h>
#define PROC_DEBUG
#ifdef PROC_DEBUG
#include <linux/proc_fs.h> // 传统第一种方式
#include <linux/seq_file.h> // seq 第二种方式
#endif
char* str = "hello proc\n";
#ifdef PROC_DEBUG
int hp_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
printk(KERN_INFO "open %ld\n", strlen(str));
return 0;
}
ssize_t hp_read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *f_pos) {
ssize_t retval = 0;
int n = strlen(str); // 内容总长度（11 字节，含\n）
if (*f_pos >= n) goto out;
if (*f_pos + count > n) count = n - *f_pos; // 防止越界 count = n -*f_pos；调整读取长度
if (copy_to_user(buff, str, count)) { // 将字符串 str("hello proc\n") 赋值到 buff 用户空间
retval = -EFAULT;
goto out;
}
*f_pos += count; // 更新偏移量
return count;
out:
return retval;
}
struct proc_ops hp_ops = {
// 下面 __init 函数中 proc_create 调用 hp_ops 创建接口文件
.proc_open = hp_open,
.proc_read = hp_read,
};
void* hp_seq_start(struct seq_file *m, loff_t *pos) // pos 表示当前读到哪个位置或写到哪个位置了
{
printk(KERN_INFO "seq start\n");
if (*pos >= strlen(str)) // pos 指当前读到或写到哪个位置，索引
return NULL;
return &str[*pos]; // 拿出字符串中字符，将地址返回，这返回值将来作为下面其他函数的 v 传入
}
void hp_seq_stop(struct seq_file *m, void *v) {
printk(KERN_INFO "seq stop\n"); // 清除 start 函数一些工作，start 里开辟一些空间或申请一些锁，这里清除
}
void* hp_seq_next(struct seq_file *m, void *v, loff_t *pos) // 改变索引值
{
printk(KERN_INFO "seq next\n");
(*pos)++;
if (*pos >= strlen(str)) return NULL;
return &str[*pos];
}
int hp_seq_show(struct seq_file *m, void *v) {
printk(KERN_INFO "seq show\n");
seq_putc(m, *(char*)v); // 将获得到的字符一个一个打印出
return 0;
}
const struct seq_operations seq_ops = {
.start = hp_seq_start,
.stop = hp_seq_stop,
.next = hp_seq_next,
.show = hp_seq_show,
};
#endif
static int __init hello_init(void) {
printk(KERN_INFO "HELLO LINUX MODULE\n");
#ifdef PROC_DEBUG
proc_create("hello_proc", 0, NULL, &hp_ops); // 第一个参数即显示在 pro 目录下文件名称，第二个参数默认 0 只读权限。第三个参数父节点，null 默认 pro 目录。最后一个参数是操作的结构体地址
proc_create_seq("hello_seq_proc", 0, NULL, &seq_ops); // 就可在 pro 目录下创建对应节点
#endif
return 0;
}
static void __exit hello_exit(void) {
#ifdef PROC_DEBUG
remove_proc_entry("hello_proc", NULL); // 第二个参数是父节点
remove_proc_entry("hello_seq_proc", NULL);
#endif
printk(KERN_INFO "GOODBYE LINUX\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
show next 调用了 11 次，最后一次返回 null 会调用 stop。cat 又会再调用一次，调 start 后直接返回 null 到 stop。
WARN_ON(condition) 函数实际也是调用 dump_stack，如 WARN_ON(1) 条件判断成功，类似 BUG_ON(1)。
cat /proc/cmdline 查看 console=ttyS0，如下图左边分支是远程登录，缺点是 log_buf 是环形 buff（会循环覆盖，日志不全）。左右分支都有 dmesg，左分支 dmesg 不受下面 x 控制，所以 dmesg 是最全的。
// Linux 内核为 printk 定义了 8 个打印等级，KERN_EMERG 等级最高，KERN_DEBUG 等级最低。在内核配置时，有一个宏来设定系统默认的打印等级 CONFIG_MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT，通常该值设置为 4，那么只有打印等级高于 4 时才会打印到终端或者串口。
// kern_levels.h
#define KERN_EMERG KERN_SOH "0" /* system is unusable 紧急事件，一般是系统崩溃之前的提示消息 */
#define KERN_ALERT KERN_SOH "1" /* action must be taken immediately 必须立即采取行动 */
#define KERN_CRIT KERN_SOH "2" /* critical conditions 临界状态，通常涉及严重的硬件或者软件操作失败 */
#define KERN_ERR KERN_SOH "3" /* error conditions 报告错误状态，经常用来报告硬件错误 */
#define KERN_WARNING KERN_SOH "4" /* warning conditions 对可能出现问题的情况进行警告，通常不会对系统造成严重问题 */
#define KERN_NOTICE KERN_SOH "5" /* normal but significant condition 有必要的提示，通常用于安全相关的状况汇报 */
#define KERN_INFO KERN_SOH "6" /* informational 提示信息，驱动程序常用来打印硬件信息 */
#define KERN_DEBUG KERN_SOH "7" /* debug-level messages 用于调试信息 */
// printk("[me]%s[%d].\n", __func__, __LINE__);
// printk 调用 printk_safe_enter_irqsave --> local_irq_save【把当前的中断状态（开或关）保存到 flags 中，然后禁用当前处理器上的中断】，所以：板卡 --> 没有办法跟外界通信（I2C、UART、SPI 都用到中断）
printk 是全局的且只能设打印等级，动态打印可控制选择模块的打印，在内核配置打开 CONFIG_DYNAMIC_DEBUG： printk 会关中断影响性能，如果在 usb 的 read/write 里 printk，那么 usb 就没法直接用了。所以用动态打印，调试时才打开，control 节点默认不输出，如下操作才输出，+p 是将动态打印语句【pr_debug/dev_dbg()】转为 printk 语句 (相当于下面的 define dev_dbg …)。
ltrace，strace 参考 notes8 epoll，这俩底层实现是 ptrace（如下）。
ifconfig 和 ip 分别属于 net-tools 和 iproute2： 上面是统计信息，下面是网络吞吐：
可 echo 上面支持的策略 > scaling_governor。
access_ok：判断 arg 地址的数据长度是不是和 len 一样大： likely 一般用在 if 判断里，cpu 会把当前指令后面指令预取出来，等到执行时就去执行，效率提高，但是也要判断后面那条指令大概率执不执行，执行的话取出来，不执行则跳过。
debugfs.h 中 api 建立目录/sys/kernel/debug
内核开发会遇到内核崩溃，如空指针异常，内存访问越界，如下会打印出异常调用栈信息定位。
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将 HTML 片段转为 GitHub Flavored Markdown，支持标题、列表、链接、代码块与表格等；浏览器内处理，可链接预填。 在线工具，HTML转Markdown在线工具，online
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