Make tests public. Rewrite most tests. Add tests.
[pintos-anon] / doc / debug.texi
1 @node Debugging Tools, Development Tools, Project Documentation, Top
2 @appendix Debugging Tools
3
4 Many tools lie at your disposal for debugging Pintos.  This appendix
5 introduces you to a few of them.
6
7 @menu
8 * printf::                      
9 * ASSERT::                      
10 * Function and Parameter Attributes::  
11 * Backtraces::                  
12 * gdb::                         
13 * Debugging by Infinite Loop::  
14 * Modifying Bochs::             
15 * Debugging Tips::              
16 @end menu
17
18 @node printf
19 @section @code{printf()}
20
21 Don't underestimate the value of @func{printf}.  The way
22 @func{printf} is implemented in Pintos, you can call it from
23 practically anywhere in the kernel, whether it's in a kernel thread or
24 an interrupt handler, almost regardless of what locks are held (but see
25 @ref{printf Reboots} for a counterexample).
26
27 @func{printf} is useful for more than just examining data.
28 It can also help figure out when and where something goes wrong, even
29 when the kernel crashes or panics without a useful error message.  The
30 strategy is to sprinkle calls to @func{print} with different strings
31 (e.g.@: @code{"<1>"}, @code{"<2>"}, @dots{}) throughout the pieces of
32 code you suspect are failing.  If you don't even see @code{<1>} printed,
33 then something bad happened before that point, if you see @code{<1>}
34 but not @code{<2>}, then something bad happened between those two
35 points, and so on.  Based on what you learn, you can then insert more
36 @func{printf} calls in the new, smaller region of code you suspect.
37 Eventually you can narrow the problem down to a single statement.
38 @xref{Debugging by Infinite Loop}, for a related technique.
39
40 @node ASSERT
41 @section @code{ASSERT}
42
43 Assertions are useful because they can catch problems early, before
44 they'd otherwise be noticed.  Pintos provides the
45 @code{ASSERT}, defined in @file{<debug.h>}, for assertions.
46 Ideally, each function should begin with a set of
47 assertions that check its arguments for validity.  (Initializers for
48 functions' local variables are evaluated before assertions are
49 checked, so be careful not to assume that an argument is valid in an
50 initializer.)  You can also sprinkle assertions throughout the body of
51 functions in places where you suspect things are likely to go wrong.
52 They are especially useful for checking loop invariants.
53
54 When an assertion proves untrue, the kernel panics.  The panic message
55 should help you to find the problem.  See the description of
56 backtraces below for more information.
57
58 @node Function and Parameter Attributes
59 @section Function and Parameter Attributes
60
61 These macros defined in @file{<debug.h>} tell the compiler special
62 attributes of a function or function parameter.  Their expansions are
63 GCC-specific.
64
65 @defmac UNUSED
66 Appended to a function parameter to tell the compiler that the
67 parameter might not be used within the function.  It suppresses the
68 warning that would otherwise appear.
69 @end defmac
70
71 @defmac NO_RETURN
72 Appended to a function prototype to tell the compiler that the
73 function never returns.  It allows the compiler to fine-tune its
74 warnings and its code generation.
75 @end defmac
76
77 @defmac NO_INLINE
78 Appended to a function prototype to tell the compiler to never emit
79 the function in-line.  Occasionally useful to improve the quality of
80 backtraces (see below).
81 @end defmac
82
83 @defmac PRINTF_FORMAT (@var{format}, @var{first})
84 Appended to a function prototype to tell the compiler that the function
85 takes a @func{printf}-like format string as the argument numbered
86 @var{format} (starting from 1) and that the corresponding value
87 arguments start at the argument numbered @var{first}.  This lets the
88 compiler tell you if you pass the wrong argument types.
89 @end defmac
90
91 @node Backtraces
92 @section Backtraces
93
94 When the kernel panics, it prints a ``backtrace,'' that is, a summary
95 of how your program got where it is, as a list of addresses inside the
96 functions that were running at the time of the panic.  You can also
97 insert a call to @func{debug_backtrace}, prototyped in
98 @file{<debug.h>}, to print a backtrace at any point in your code.
99
100 The addresses in a backtrace are listed as raw hexadecimal numbers,
101 which are meaningless by themselves.  You can translate them into
102 function names and source file line numbers using a tool called
103 @command{addr2line} (80@var{x}86) or @command{i386-elf-addr2line}
104 (SPARC).
105
106 The output format of @command{addr2line} is not ideal, so
107 we've supplied a wrapper for it simply called @command{backtrace}.
108 Give it the name of your @file{kernel.o} as the first argument and the
109 hexadecimal numbers composing the backtrace (including the @samp{0x}
110 prefixes) as the remaining arguments.  It outputs the function name
111 and source file line numbers that correspond to each address.  
112
113 If the translated form of a backtrace is garbled, or doesn't make
114 sense (e.g.@: function A is listed above function B, but B doesn't
115 call A), then it's a good sign that you're corrupting a kernel
116 thread's stack, because the backtrace is extracted from the stack.
117 Alternatively, it could be that the @file{kernel.o} you passed to
118 @command{backtrace} does not correspond to the kernel that produced
119 the backtrace.
120
121 Sometimes backtraces can be confusing without implying corruption.
122 Compiler optimizations can cause surprising behavior.  For example, when
123 a function has called another function as its final action (a @dfn{tail
124 call}), the calling function may not appear in a backtrace at all.
125
126 @menu
127 * Backtrace Example::           
128 @end menu
129
130 @node Backtrace Example
131 @subsection Example
132
133 Here's an example.  Suppose that Pintos printed out this following call
134 stack, which is taken from an actual Pintos submission for the file
135 system project:
136
137 @example
138 Call stack: 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22 0xc010cf67 0xc0102319
139 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8.
140 @end example
141
142 You would then invoke the @command{backtrace} utility like shown below,
143 cutting and pasting the backtrace information into the command line.
144 This assumes that @file{kernel.o} is in the current directory.  You
145 would of course enter all of the following on a single shell command
146 line, even though that would overflow our margins here:
147
148 @example
149 backtrace kernel.o 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22 0xc010cf67 
150 0xc0102319 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8
151 @end example
152
153 The backtrace output would then look something like this:
154
155 @example
156 0xc0106eff: debug_panic (../../lib/debug.c:86)
157 0xc01102fb: file_seek (../../filesys/file.c:405)
158 0xc010dc22: seek (../../userprog/syscall.c:744)
159 0xc010cf67: syscall_handler (../../userprog/syscall.c:444)
160 0xc0102319: intr_handler (../../threads/interrupt.c:334)
161 0xc010325a: ?? (threads/intr-stubs.S:1554)
162 0x804812c: ?? (??:0)
163 0x8048a96: ?? (??:0)
164 0x8048ac8: ?? (??:0)
165 @end example
166
167 (You will probably not get the same results if you run the command above
168 on your own kernel binary, because the source code you compiled from is
169 different from the source code that panicked.)
170
171 The first line in the backtrace refers to @func{debug_panic}, the
172 function that implements kernel panics.  Because backtraces commonly
173 result from kernel panics, @func{debug_panic} will often be the first
174 function shown in a backtrace.
175
176 The second line shows @func{file_seek} as the function that panicked,
177 in this case as the result of an assertion failure.  In the source code
178 tree used for this example, line 405 of @file{filesys/file.c} is the
179 assertion
180
181 @example
182 ASSERT (file_ofs >= 0);
183 @end example
184
185 @noindent
186 (This line was also cited in the assertion failure message.)
187 Thus, @func{file_seek} panicked because it passed a negative file offset
188 argument.
189
190 The third line indicates that @func{seek} called @func{file_seek},
191 presumably without validating the offset argument.  In this submission,
192 @func{seek} implements the @code{seek} system call.
193
194 The fourth line shows that @func{syscall_handler}, the system call
195 handler, invoked @func{seek}.
196
197 The fifth and sixth lines are the interrupt handler entry path.
198
199 The remaining lines are for addresses below @code{PHYS_BASE}.  This
200 means that they refer to addresses in the user program, not in the
201 kernel.  If you know what user program was running when the kernel
202 panicked, you can re-run @command{backtrace} on the user program, like
203 so: (typing the command on a single line, of course):
204
205 @example
206 backtrace grow-too-big 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22 0xc010cf67
207 0xc0102319 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8
208 @end example
209
210 The results look like this:
211
212 @example
213 0xc0106eff: ?? (??:0)
214 0xc01102fb: ?? (??:0)
215 0xc010dc22: ?? (??:0)
216 0xc010cf67: ?? (??:0)
217 0xc0102319: ?? (??:0)
218 0xc010325a: ?? (??:0)
219 0x804812c: test_main (../../tests/filesys/extended/grow-too-big.c:20)
220 0x8048a96: main (../../tests/main.c:10)
221 0x8048ac8: _start (../../lib/user/entry.c:9)
222 @end example
223
224 Here's an extra tip for anyone who read this far: @command{backtrace}
225 is smart enough to strip the @code{Call stack:} header and @samp{.}
226 trailer from the command line if you include them.  This can save you
227 a little bit of trouble in cutting and pasting.  Thus, the following
228 command prints the same output as the first one we used:
229
230 @example
231 backtrace kernel.o Call stack: 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22
232 0xc010cf67 0xc0102319 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8.
233 @end example
234
235 @node gdb
236 @section @command{gdb}
237
238 You can run the Pintos kernel under the supervision of the
239 @command{gdb} (80@var{x}86) or @command{i386-elf-gdb} (SPARC)
240 debugger.  First,
241 start Pintos with the @option{--gdb} option, e.g.@: @command{pintos
242 --gdb -- run mytest}.  Second, in a separate terminal, invoke @command{gdb} (or
243 @command{i386-elf-gdb}) on
244 @file{kernel.o}:
245 @example
246 gdb kernel.o
247 @end example
248 @noindent and issue the following @command{gdb} command:
249 @example
250 target remote localhost:1234
251 @end example
252
253 Now @command{gdb} is connected to the simulator over a local
254 network connection.  You can now issue any normal @command{gdb}
255 commands.  If you issue the @samp{c} command, the simulated BIOS will take
256 control, load Pintos, and then Pintos will run in the usual way.  You
257 can pause the process at any point with @key{Ctrl+C}.  If you want
258 @command{gdb} to stop when Pintos starts running, set a breakpoint on
259 @func{main} with the command @code{break main} before @samp{c}.
260
261 You can read the @command{gdb} manual by typing @code{info gdb} at a
262 terminal command prompt, or you can view it in Emacs with the command
263 @kbd{C-h i}.  Here's a few commonly useful @command{gdb} commands:
264
265 @table @code
266 @item c
267 Continues execution until @key{Ctrl+C} or the next breakpoint.
268
269 @item break @var{function}
270 @itemx break @var{filename}:@var{linenum}
271 @itemx break *@var{address}
272 Sets a breakpoint at the given function, line number, or address.
273 (Use a @samp{0x} prefix to specify an address in hex.)
274
275 @item p @var{expression}
276 Evaluates the given C expression and prints its value.
277 If the expression contains a function call, that function will actually
278 be executed.
279
280 @item l *@var{address}
281 Lists a few lines of code around the given address.
282 (Use a @samp{0x} prefix to specify an address in hex.)
283
284 @item bt
285 Prints a stack backtrace similar to that output by the
286 @command{backtrace} program described above.
287
288 @item p/a @var{address}
289 Prints the name of the function or variable that occupies the given
290 address.
291 (Use a @samp{0x} prefix to specify an address in hex.)
292
293 @item diassemble @var{function}
294 Disassembles the specified @var{function}.
295 @end table
296
297 If you notice other strange behavior while using @command{gdb}, there
298 are three possibilities: a bug in your
299 modified Pintos, a bug in Bochs's
300 interface to @command{gdb} or in @command{gdb} itself, or
301 a bug in the original Pintos code.  The first and second
302 are quite likely, and you should seriously consider both.  We hope
303 that the third is less likely, but it is also possible.
304
305 You can also use @command{gdb} to debug a user program running under
306 Pintos.  Start by issuing this @command{gdb} command to load the
307 program's symbol table:
308 @example
309 add-symbol-file @var{program}
310 @end example
311 @noindent
312 where @var{program} is the name of the program's executable (in the host
313 file system, not in the Pintos file system).  After this, you should be
314 able to debug the user program the same way you would the kernel, by
315 placing breakpoints, inspecting data, etc.  Your actions apply to every
316 user program running in Pintos, not just to the one you want to debug,
317 so be careful in interpreting the results.  Also, a name that appears in
318 both the kernel and the user program will actually refer to the kernel
319 name.  (The latter problem can be avoided by giving the user executable
320 name on the @command{gdb} command line, instead of @file{kernel.o}.)
321
322 @node Debugging by Infinite Loop
323 @section Debugging by Infinite Loop
324
325 If you get yourself into a situation where the machine reboots in a
326 loop, that's probably a ``triple fault.''  In such a situation you
327 might not be able to use @func{printf} for debugging, because the
328 reboots might be happening even before everything needed for
329 @func{printf} is initialized.  In such a situation, you might want to
330 try what I call ``debugging by infinite loop.''
331
332 What you do is pick a place in the Pintos code, insert the statement
333 @code{for (;;);} there, and recompile and run.  There are two likely
334 possibilities:
335
336 @itemize @bullet
337 @item
338 The machine hangs without rebooting.  If this happens, you know that
339 the infinite loop is running.  That means that whatever caused the
340 reboot must be @emph{after} the place you inserted the infinite loop.
341 Now move the infinite loop later in the code sequence.
342
343 @item
344 The machine reboots in a loop.  If this happens, you know that the
345 machine didn't make it to the infinite loop.  Thus, whatever caused the
346 reboot must be @emph{before} the place you inserted the infinite loop.
347 Now move the infinite loop earlier in the code sequence.
348 @end itemize
349
350 If you move around the infinite loop in a ``binary search'' fashion, you
351 can use this technique to pin down the exact spot that everything goes
352 wrong.  It should only take a few minutes at most.
353
354 @node Modifying Bochs
355 @section Modifying Bochs
356
357 An advanced debugging technique is to modify and recompile the
358 simulator.  This proves useful when the simulated hardware has more
359 information than it makes available to the OS.  For example, page
360 faults have a long list of potential causes, but the hardware does not
361 report to the OS exactly which one is the particular cause.
362 Furthermore, a bug in the kernel's handling of page faults can easily
363 lead to recursive faults, but a ``triple fault'' will cause the CPU to
364 reset itself, which is hardly conducive to debugging.
365
366 In a case like this, you might appreciate being able to make Bochs
367 print out more debug information, such as the exact type of fault that
368 occurred.  It's not very hard.  You start by retrieving the source
369 code for Bochs 2.1.1 from @uref{http://bochs.sourceforge.net} and
370 extracting it into a directory.  Then read
371 @file{pintos/src/misc/bochs-2.1.1.patch} and apply the patches needed.
372 Then run @file{./configure}, supplying the options you want (some
373 suggestions are in the patch file).  Finally, run @command{make}.
374 This will compile Bochs and eventually produce a new binary
375 @file{bochs}.  To use your @file{bochs} binary with @command{pintos},
376 put it in your @env{PATH}, and make sure that it is earlier than
377 @file{/usr/class/cs140/`uname -m`/bochs}.
378
379 Of course, to get any good out of this you'll have to actually modify
380 Bochs.  Instructions for doing this are firmly out of the scope of
381 this document.  However, if you want to debug page faults as suggested
382 above, a good place to start adding @func{printf}s is
383 @func{BX_CPU_C::dtranslate_linear} in @file{cpu/paging.cc}.
384
385 @node Debugging Tips
386 @section Tips
387
388 The page allocator in @file{threads/palloc.c} and the block allocator in
389 @file{threads/malloc.c} both clear all the bytes in pages and blocks to
390 @t{0xcc} when they are freed.  Thus, if you see an attempt to
391 dereference a pointer like @t{0xcccccccc}, or some other reference to
392 @t{0xcc}, there's a good chance you're trying to reuse a page that's
393 already been freed.  Also, byte @t{0xcc} is the CPU opcode for ``invoke
394 interrupt 3,'' so if you see an error like @code{Interrupt 0x03 (#BP
395 Breakpoint Exception)}, Pintos tried to execute code in a freed page or
396 block.
397
398 An assertion failure on the expression @code{sec_no < d->capacity}
399 indicates that Pintos tried to access a file through an inode that has
400 been closed and freed.  Freeing an inode clears its starting sector
401 number to @t{0xcccccccc}, which is not a valid sector number for disks
402 smaller than about 1.6 TB.