第4篇：crash 工具的内存读取 — readmem、uvtop 与栈回溯¶
crash 源码：
memory.cdefs.h| vmcore 源码：fs/proc/vmcore.c
系列目录：vmcore 深度解析系列
1. readmem — 整个 crash 工具的核心¶
crash 工具所有命令（bt、log、kmem、ps）最终都调用 readmem 读取内核内存。这是唯一的 IO 路径。
// memory.c:2307 — the workhorse
readmem(ulonglong addr, int memtype, void *buffer, long size,
char *type, ulong error_handle)
{
physaddr_t paddr;
long cnt, orig_size;
char *bufptr = (char *)buffer;
// ① 验证 memtype
switch (memtype) {
case UVADDR: // 用户态虚拟地址
if (!CURRENT_CONTEXT()) { // 需要当前进程上下文
error(INFO, "no current user process\n");
goto readmem_error;
}
if (!IS_UVADDR(addr, CURRENT_CONTEXT())) {
error(INFO, INVALID_UVADDR, addr, type);
goto readmem_error;
}
break;
case KVADDR: // 内核虚拟地址
if (!IS_KVADDR(addr)) {
error(INFO, INVALID_KVADDR, addr, type);
goto readmem_error;
}
break;
case PHYSADDR: // 物理地址 (直接)
break;
}
// ② ★ 核心循环: 每次处理一个页面
while (size > 0) {
switch (memtype) {
case UVADDR:
// ★ 用户态: uvtop 遍历 page table
if (!uvtop(CURRENT_CONTEXT(), addr, &paddr, 0)) {
cnt = PAGESIZE() - PAGEOFFSET(addr);
if (cnt > size) cnt = size;
cnt = readswap(paddr, bufptr, cnt, addr);
if (cnt) { bufptr += cnt; addr += cnt; size -= cnt; continue; }
}
goto readmem_error;
case KVADDR:
// ★ 内核态: VTOP (虚拟到物理转换)
if (!kvtop(CURRENT_CONTEXT(), addr, &paddr, 0)) {
cnt = PAGESIZE() - PAGEOFFSET(addr);
if (cnt > size) cnt = size;
cnt = read_vmcore_at_phys(paddr, bufptr, cnt);
if (cnt) { bufptr += cnt; addr += cnt; size -= cnt; continue; }
}
goto readmem_error;
case PHYSADDR:
// ★ 直接物理地址 → 查找对应的 PT_LOAD segment → 读 vmcore 文件
cnt = read_vmcore_at_phys(addr, bufptr, size);
if (cnt) { bufptr += cnt; addr += cnt; size -= cnt; continue; }
goto readmem_error;
}
}
}
三种地址模式的核心转换函数：
| 模式 | 输入 | 转换 | 输出 | 使用场景 |
|---|---|---|---|---|
| KVADDR | 内核虚拟地址 (0xffff...) | kvtop() — 内核页表遍历 |
PHYSADDR | bt, log, kmem -i, 符号读取 |
| UVADDR | 用户虚拟地址 (0x7f...) | uvtop() — 进程页表遍历 |
PHYSADDR | bt -p, 用户态栈回溯, vtop |
| PHYSADDR | 物理地址 | 直接查找 PT_LOAD | 文件偏移 → read() |
rd -p, /proc/kcore 读取 |
2. 物理地址到 vmcore 文件偏移的映射¶
// 核心查找: 在 nd->load64[] 数组中查找物理地址对应的 vmcore 文件偏移
static long long physaddr_to_file_offset(physaddr_t paddr)
{
struct vmcore_data *nd = &vmcore_data;
for (int i = 0; i < nd->num_load; i++) {
Elf64_Phdr *phdr = nd->load64[i];
// ★ 物理地址在这个 segment 的范围内?
if (paddr >= phdr->p_paddr &&
paddr < phdr->p_paddr + phdr->p_memsz) {
// ★ 文件偏移 = p_offset + (paddr - p_paddr)
return phdr->p_offset + (paddr - phdr->p_paddr);
}
}
return -1; // 不在 vmcore 中 (可能是设备 MMIO 区域等)
}
PT_LOAD 段的含义：
Elf64_Phdr 1 (内核代码 + 数据):
p_offset = 0x1000000 (16MB from start of vmcore file)
p_vaddr = 0xffff888000000000 (内核虚拟地址)
p_paddr = 0x10000000 (256MB physical RAM)
p_filesz = p_memsz = 512MB (内核占用的 RAM 量)
Elf64_Phdr 2 (direct mapping 区域):
p_offset = 0x21000000
p_vaddr = 0xffff888000000000 + 512MB
p_paddr = 0x10000000 + 512MB
p_filesz = 512MB
Elf64_Phdr 3 (vmalloc/ioremap):
p_offset = 0x42000000
p_vaddr = 0xffffc90000000000
p_paddr = (no physical — virtual only page tables)
p_filesz = 128MB
3. kvtop — 内核虚拟地址到物理地址¶
// crash 工具的内核页表遍历
int kvtop(struct task_context *tc, ulong kvaddr, physaddr_t *paddr, int verbose)
{
// ① 通过 pgd_offset_k() 宏获取 PGD entry
pgd = pgd_offset_k(kvaddr);
// ② PGD → P4D → PUD → PMD → PTE
p4d = p4d_offset(pgd, kvaddr);
pud = pud_offset(p4d, kvaddr);
pmd = pmd_offset(pud, kvaddr);
pte = pte_offset_kernel(pmd, kvaddr);
// ③ ★ 提取物理页帧号 + 页内偏移
*paddr = (pte_val(pte) & PHYSICAL_PAGE_MASK) + PAGEOFFSET(kvaddr);
return TRUE;
}
crash 工具如何知道页表在哪里：
- VMCOREINFO 中的
SYMBOL(swapper_pg_dir)→ 内核全局页表的虚拟地址 - crash 读取
swapper_pg_dir处的物理内存 → 得到 PGD 内容 - 然后逐级遍历 PGD → PUD → PMD → PTE
- 如果启用 5-level paging → 额外处理 P4D 级别
- 如果页表项为零 (未映射) → 返回"无法读取"
4. uvtop — 用户态虚拟地址到物理地址¶
// crash 工具的用户态页表遍历
int uvtop(struct task_context *tc, ulong uvaddr, physaddr_t *paddr, int verbose)
{
// ① 获取当前进程的 mm_struct
struct task_struct *task = tc->task;
struct mm_struct *mm = task->mm;
// ② 从 mm->pgd 获取进程的 PGD (用户态页表基址)
ulong pgd_val = read_pointer(KVADDR, &mm->pgd);
// ③ ★ 用户态 PGD → P4D → PUD → PMD → PTE
// (和 kernel 的 kvtop 相同的逐级遍历，只是用的是 mm 的 pgd)
pgd = pgd_offset(mm, uvaddr);
// ... 逐级遍历 ...
// ④ 提取物理页帧号
*paddr = (pte_val(pte) & PHYSICAL_PAGE_MASK) + PAGEOFFSET(uvaddr);
return TRUE;
}
为什么 uvtop 需要 CURRENT_CONTEXT()：用户态地址属于特定进程。crash 必须先通过 set context <pid> 选择一个进程，才能读取该进程的用户态内存。
5. 三个实例——从 readmem 到最终输出¶
5.1 bt (栈回溯)¶
bt → crash 获取当前上下文的 per-CPU elf_prstatus
→ regs->rip = read from PT_NOTE
→ regs->rsp = read from PT_NOTE
每帧栈:
① readmem(KVADDR, rsp + 8, &return_addr, sizeof(ulong)) // 读返回地址
② readmem(KVADDR, return_addr, &symbol, sizeof(char[128])) // 读符号名
③ rsp = rsp + frame_size // 下一帧
最终输出:
#0 [ffff888123456ab0] machine_kexec at ffffffff81123400
#1 [ffff888123456b50] __crash_kexec at ffffffff81123500
#2 [ffff888123456c00] panic at ffffffff81234000
5.2 log (dmesg)¶
log → crash 从 VMCOREINFO 读取:
log_buf = 0xffff888000000000 (from SYMBOL(log_buf))
log_buf_len = 2097152 (from SYMBOL(log_buf_len))
log_first_idx = 1572864 (from SYMBOL(log_first_idx))
log_next_idx = 524288 (from SYMBOL(log_next_idx))
→ readmem(KVADDR, log_buf, buf, log_buf_len) // 一次性读 2MB
→ 环形缓冲区解码: buf[log_first_idx..log_buf_len] + buf[0..log_next_idx-1]
→ 输出到控制台
5.3 kmem -i (内存统计)¶
kmem -i → crash 读取全局:
_totalram_pages = readmem(KVADDR, SYMBOL_VALUE(_totalram_pages), ...)
zero_pfn = readmem(KVADDR, SYMBOL_VALUE(zero_pfn), ...)
huge_zero_pfn = readmem(KVADDR, SYMBOL_VALUE(huge_zero_pfn), ...)
然后遍历所有页面:
对每个页面结构 struct page:
readmem(KVADDR, &page[i], sizeof(struct page))
if (page[i].flags & PG_free) free_pages++
输出:
TOTAL MEMORY: 64 GB
TOTAL FREE: 48 GB
TOTAL USED: 16 GB
6. 总结¶
| 操作 | 涉及的 readmem 调用 | 文件偏移源自 |
|---|---|---|
| 读取符号值 | readmem(KVADDR, SYMBOL_VALUE(name)) |
kvtop → paddr → PT_LOAD 偏移 |
| 读取寄存器 | readmem(PHYSADDR, PT_NOTE_offset) |
PT_NOTE 的 p_offset |
| 读取内核栈 | readmem(KVADDR, rsp) |
kvtop → paddr → PT_LOAD 偏移 |
| 读取用户栈 | readmem(UVADDR, rsp) |
uvtop → paddr → PT_LOAD 偏移 |
| 读取物理地址 | readmem(PHYSADDR, addr) |
直接 PT_LOAD 偏移 |
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