Major revisions to documentation.
[pintos-anon] / doc / debug.texi
1 @node Debugging Tools
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 * Triple Faults::               
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{Triple Faults}, 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.  Ideally, each function should begin with a
45 set of assertions that check its arguments for validity.  (Initializers
46 for functions' local variables are evaluated before assertions are
47 checked, so be careful not to assume that an argument is valid in an
48 initializer.)  You can also sprinkle assertions throughout the body of
49 functions in places where you suspect things are likely to go wrong.
50 They are especially useful for checking loop invariants.
51
52 Pintos provides the @code{ASSERT} macro, defined in @file{<debug.h>},
53 for checking assertions.
54
55 @defmac ASSERT (expression)
56 Tests the value of @var{expression}.  If it evaluates to zero (false),
57 the kernel panics.  The panic message includes the expression that
58 failed, its file and line number, and a backtrace, which should help you
59 to find the problem.  @xref{Backtraces}, for more information.
60 @end defmac
61
62 @node Function and Parameter Attributes
63 @section Function and Parameter Attributes
64
65 These macros defined in @file{<debug.h>} tell the compiler special
66 attributes of a function or function parameter.  Their expansions are
67 GCC-specific.
68
69 @defmac UNUSED
70 Appended to a function parameter to tell the compiler that the
71 parameter might not be used within the function.  It suppresses the
72 warning that would otherwise appear.
73 @end defmac
74
75 @defmac NO_RETURN
76 Appended to a function prototype to tell the compiler that the
77 function never returns.  It allows the compiler to fine-tune its
78 warnings and its code generation.
79 @end defmac
80
81 @defmac NO_INLINE
82 Appended to a function prototype to tell the compiler to never emit
83 the function in-line.  Occasionally useful to improve the quality of
84 backtraces (see below).
85 @end defmac
86
87 @defmac PRINTF_FORMAT (@var{format}, @var{first})
88 Appended to a function prototype to tell the compiler that the function
89 takes a @func{printf}-like format string as the argument numbered
90 @var{format} (starting from 1) and that the corresponding value
91 arguments start at the argument numbered @var{first}.  This lets the
92 compiler tell you if you pass the wrong argument types.
93 @end defmac
94
95 @node Backtraces
96 @section Backtraces
97
98 When the kernel panics, it prints a ``backtrace,'' that is, a summary
99 of how your program got where it is, as a list of addresses inside the
100 functions that were running at the time of the panic.  You can also
101 insert a call to @func{debug_backtrace}, prototyped in
102 @file{<debug.h>}, to print a backtrace at any point in your code.
103
104 The addresses in a backtrace are listed as raw hexadecimal numbers,
105 which are difficult to interpret.  We provide a tool called
106 @command{backtrace} to translate these into function names and source
107 file line numbers.
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.  When a function
123 has called another function as its final action (a @dfn{tail call}), the
124 calling function may not appear in a backtrace at all.  Similarly, when
125 function A calls another function B that never returns, the compiler may
126 optimize such that an unrelated function C appears in the backtrace
127 instead of A.  Function C is simply the function that happens to be in
128 memory just after A.  In the threads project, this is commonly seen in
129 backtraces for test failures; see @ref{The pass function fails, ,
130 @func{pass} Fails}, for more information.
131
132 @menu
133 * Backtrace Example::           
134 @end menu
135
136 @node Backtrace Example
137 @subsection Example
138
139 Here's an example.  Suppose that Pintos printed out this following call
140 stack, which is taken from an actual Pintos submission for the file
141 system project:
142
143 @example
144 Call stack: 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22 0xc010cf67 0xc0102319
145 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8.
146 @end example
147
148 You would then invoke the @command{backtrace} utility like shown below,
149 cutting and pasting the backtrace information into the command line.
150 This assumes that @file{kernel.o} is in the current directory.  You
151 would of course enter all of the following on a single shell command
152 line, even though that would overflow our margins here:
153
154 @example
155 backtrace kernel.o 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22 0xc010cf67 
156 0xc0102319 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8
157 @end example
158
159 The backtrace output would then look something like this:
160
161 @example
162 0xc0106eff: debug_panic (../../lib/debug.c:86)
163 0xc01102fb: file_seek (../../filesys/file.c:405)
164 0xc010dc22: seek (../../userprog/syscall.c:744)
165 0xc010cf67: syscall_handler (../../userprog/syscall.c:444)
166 0xc0102319: intr_handler (../../threads/interrupt.c:334)
167 0xc010325a: ?? (threads/intr-stubs.S:1554)
168 0x804812c: ?? (??:0)
169 0x8048a96: ?? (??:0)
170 0x8048ac8: ?? (??:0)
171 @end example
172
173 (You will probably not see exactly the same addresses if you run the
174 command above on your own kernel binary, because the source code you
175 compiled and the compiler you used are probably different.)
176
177 The first line in the backtrace refers to @func{debug_panic}, the
178 function that implements kernel panics.  Because backtraces commonly
179 result from kernel panics, @func{debug_panic} will often be the first
180 function shown in a backtrace.
181
182 The second line shows @func{file_seek} as the function that panicked,
183 in this case as the result of an assertion failure.  In the source code
184 tree used for this example, line 405 of @file{filesys/file.c} is the
185 assertion
186
187 @example
188 ASSERT (file_ofs >= 0);
189 @end example
190
191 @noindent
192 (This line was also cited in the assertion failure message.)
193 Thus, @func{file_seek} panicked because it passed a negative file offset
194 argument.
195
196 The third line indicates that @func{seek} called @func{file_seek},
197 presumably without validating the offset argument.  In this submission,
198 @func{seek} implements the @code{seek} system call.
199
200 The fourth line shows that @func{syscall_handler}, the system call
201 handler, invoked @func{seek}.
202
203 The fifth and sixth lines are the interrupt handler entry path.
204
205 The remaining lines are for addresses below @code{PHYS_BASE}.  This
206 means that they refer to addresses in the user program, not in the
207 kernel.  If you know what user program was running when the kernel
208 panicked, you can re-run @command{backtrace} on the user program, like
209 so: (typing the command on a single line, of course):
210
211 @example
212 backtrace grow-too-big 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22 0xc010cf67
213 0xc0102319 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8
214 @end example
215
216 The results look like this:
217
218 @example
219 0xc0106eff: ?? (??:0)
220 0xc01102fb: ?? (??:0)
221 0xc010dc22: ?? (??:0)
222 0xc010cf67: ?? (??:0)
223 0xc0102319: ?? (??:0)
224 0xc010325a: ?? (??:0)
225 0x804812c: test_main (../../tests/filesys/extended/grow-too-big.c:20)
226 0x8048a96: main (../../tests/main.c:10)
227 0x8048ac8: _start (../../lib/user/entry.c:9)
228 @end example
229
230 Here's an extra tip for anyone who read this far: @command{backtrace}
231 is smart enough to strip the @code{Call stack:} header and @samp{.}
232 trailer from the command line if you include them.  This can save you
233 a little bit of trouble in cutting and pasting.  Thus, the following
234 command prints the same output as the first one we used:
235
236 @example
237 backtrace kernel.o Call stack: 0xc0106eff 0xc01102fb 0xc010dc22
238 0xc010cf67 0xc0102319 0xc010325a 0x804812c 0x8048a96 0x8048ac8.
239 @end example
240
241 @node GDB
242 @section GDB
243
244 You can run Pintos under the supervision of the GDB debugger.
245 First, start Pintos with the @option{--gdb} option, e.g.@:
246 @command{pintos --gdb -- run mytest}.  Second, open a second terminal on
247 the same machine and
248 use @command{pintos-gdb} to invoke GDB on
249 @file{kernel.o}:@footnote{@command{pintos-gdb} is a wrapper around
250 @command{gdb} (80@var{x}86) or @command{i386-elf-gdb} (SPARC) that loads
251 the Pintos macros at startup.}
252 @example
253 pintos-gdb kernel.o
254 @end example
255 @noindent and issue the following GDB command:
256 @example
257 target remote localhost:1234
258 @end example
259
260 Now GDB is connected to the simulator over a local
261 network connection.  You can now issue any normal GDB
262 commands.  If you issue the @samp{c} command, the simulated BIOS will take
263 control, load Pintos, and then Pintos will run in the usual way.  You
264 can pause the process at any point with @key{Ctrl+C}.
265
266 @menu
267 * Using GDB::                   
268 * Example GDB Session::         
269 * Debugging User Programs::     
270 * GDB FAQ::                     
271 @end menu
272
273 @node Using GDB
274 @subsection Using GDB
275
276 You can read the GDB manual by typing @code{info gdb} at a
277 terminal command prompt.  Here's a few commonly useful GDB commands:
278
279 @deffn {GDB Command} c
280 Continues execution until @key{Ctrl+C} or the next breakpoint.
281 @end deffn
282
283 @deffn {GDB Command} break function
284 @deffnx {GDB Command} break file:line
285 @deffnx {GDB Command} break *address
286 Sets a breakpoint at @var{function}, at @var{line} within @var{file}, or
287 @var{address}.
288 (Use a @samp{0x} prefix to specify an address in hex.)
289
290 Use @code{break main} to make GDB stop when Pintos starts running.
291 @end deffn
292
293 @deffn {GDB Command} p expression
294 Evaluates the given @var{expression} and prints its value.
295 If the expression contains a function call, that function will actually
296 be executed.
297 @end deffn
298
299 @deffn {GDB Command} l *address
300 Lists a few lines of code around @var{address}.
301 (Use a @samp{0x} prefix to specify an address in hex.)
302 @end deffn
303
304 @deffn {GDB Command} bt
305 Prints a stack backtrace similar to that output by the
306 @command{backtrace} program described above.
307 @end deffn
308
309 @deffn {GDB Command} p/a address
310 Prints the name of the function or variable that occupies @var{address}.
311 (Use a @samp{0x} prefix to specify an address in hex.)
312 @end deffn
313
314 @deffn {GDB Command} diassemble function
315 Disassembles @var{function}.
316 @end deffn
317
318 We also provide a set of macros specialized for debugging Pintos,
319 written by Godmar Back @email{gback@@cs.vt.edu}.  You can type
320 @code{help user-defined} for basic help with the macros.  Here is an
321 overview of their functionality, based on Godmar's documentation:
322
323 @deffn {GDB Macro} debugpintos
324 Attach debugger to a waiting pintos process on the same machine.
325 Shorthand for @code{target remote localhost:1234}.
326 @end deffn
327
328 @deffn {GDB Macro} dumplist list type element
329 Prints the elements of @var{list}, which should be a @code{struct} list
330 that contains elements of the given @var{type} (without the word
331 @code{struct}) in which @var{element} is the @struct{list_elem} member
332 that links the elements.
333
334 Example: @code{dumplist all_list thread all_elem} prints all elements of
335 @struct{thread} that are linked in @code{struct list all_list} using the
336 @code{struct list_elem all_elem} which is part of @struct{thread}.
337 @end deffn
338
339 @deffn {GDB Macro} btthread thread
340 Shows the backtrace of @var{thread}, which is a pointer to the
341 @struct{thread} of the thread whose backtrace it should show.  For the
342 current thread, this is identical to the @code{bt} (backtrace) command.
343 It also works for any thread suspended in @func{schedule},
344 provided you know where its kernel stack page is located.
345 @end deffn
346
347 @deffn {GDB Macro} btthreadlist list element
348 Shows the backtraces of all threads in @var{list}, the @struct{list} in
349 which the threads are kept.  Specify @var{element} as the
350 @struct{list_elem} field used inside @struct{thread} to link the threads
351 together.
352
353 Example: @code{btthreadlist all_list all_elem} shows the backtraces of
354 all threads contained in @code{struct list all_list}, linked together by
355 @code{all_elem}.  This command is useful to determine where your threads
356 are stuck when a deadlock occurs.  Please see the example scenario below.
357 @end deffn
358
359 @deffn {GDB Macro} btpagefault
360 Print a backtrace of the current thread after a page fault exception.
361 Normally, when a page fault exception occurs, GDB will stop
362 with a message that might say:
363
364 @example
365 Program received signal 0, Signal 0.
366 0xc0102320 in intr0e_stub ()
367 @end example
368
369 In that case, the @code{bt} command might not give a useful
370 backtrace.  Use @code{btpagefault} instead.
371
372 You may also use @code{btpagefault} for page faults that occur in a user
373 process.  In this case, you may also wish to load the user program's
374 symbol table (@pxref{Debugging User Programs}).
375 @end deffn
376
377 @deffn {GDB Macro} hook-stop
378 GDB invokes this macro every time the simulation stops, which Bochs will
379 do for every processor exception, among other reasons.  If the
380 simulation stops due to a page fault, @code{hook-stop} will print a
381 message that says and explains further whether the page fault occurred
382 in the kernel or in user code.
383
384 If the exception occurred from user code, @code{hook-stop} will say:
385 @example
386 pintos-debug: a page fault exception occurred in user mode
387 pintos-debug: hit 'c' to continue, or 's' to step to intr_handler
388 @end example
389
390 In Project 2, a page fault in a user process leads to the termination of
391 the process.  You should expect those page faults to occur in the
392 robustness tests where we test that your kernel properly terminates
393 processes that try to access invalid addresses.  To debug those, set a
394 break point in @func{page_fault} in @file{exception.c}, which you will
395 need to modify accordingly.
396
397 In Project 3, a page fault in a user process no longer automatically
398 leads to the termination of a process.  Instead, it may require reading in
399 data for the page the process was trying to access, either
400 because it was swapped out or because this is the first time it's
401 accessed.  In either case, you will reach @func{page_fault} and need to
402 take the appropriate action there.
403
404 If the page fault did not occur in user mode while executing a user
405 process, then it occurred in kernel mode while executing kernel code.
406 In this case, @code{hook-stop} will print this message:
407 @example
408 pintos-debug: a page fault occurred in kernel mode
409 @end example
410 followed by the output of the @code{btpagefault} command.
411
412 Before Project 3, a page fault exception in kernel code is always a bug
413 in your kernel, because your kernel should never crash.  Starting with
414 Project 3, the situation will change if you use @func{get_user} and
415 @func{put_user} strategy to verify user memory accesses
416 (@pxref{Accessing User Memory}).
417 @end deffn
418
419 @node Example GDB Session
420 @subsection Example GDB Session
421
422 This section narrates a sample GDB session, provided by Godmar Back.
423 This example illustrates how one might debug a Project 1 solution in
424 which occasionally a thread that calls @func{timer_sleep} is not woken
425 up.  With this bug, tests such as @code{mlfqs_load_1} get stuck.
426
427 This session was captured with a slightly older version of Bochs and the
428 GDB macros for Pintos, so it looks slightly different than it would now.
429 Program output is shown in normal type, user input in @strong{strong}
430 type.
431
432 First, I start Pintos:
433
434 @smallexample
435 $ @strong{pintos -v --gdb -- -q -mlfqs run mlfqs-load-1}
436 Writing command line to /tmp/gDAlqTB5Uf.dsk...
437 bochs -q
438 ========================================================================
439                        Bochs x86 Emulator 2.2.5
440              Build from CVS snapshot on December 30, 2005
441 ========================================================================
442 00000000000i[     ] reading configuration from bochsrc.txt
443 00000000000i[     ] Enabled gdbstub
444 00000000000i[     ] installing nogui module as the Bochs GUI
445 00000000000i[     ] using log file bochsout.txt
446 Waiting for gdb connection on localhost:1234
447 @end smallexample
448
449 @noindent Then, I open a second window on the same machine and start GDB:
450
451 @smallexample
452 $ @strong{pintos-gdb kernel.o}
453 GNU gdb Red Hat Linux (6.3.0.0-1.84rh)
454 Copyright 2004 Free Software Foundation, Inc.
455 GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
456 welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
457 Type "show copying" to see the conditions.
458 There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
459 This GDB was configured as "i386-redhat-linux-gnu"...
460 Using host libthread_db library "/lib/libthread_db.so.1".
461 @end smallexample
462
463 @noindent Then, I tell GDB to attach to the waiting Pintos emulator:
464
465 @smallexample
466 (gdb) @strong{debugpintos}
467 Remote debugging using localhost:1234
468 0x0000fff0 in ?? ()
469 Reply contains invalid hex digit 78
470 @end smallexample
471
472 @noindent Now I tell Pintos to run by executing @code{c} (short for
473 @code{continue}) twice:
474
475 @smallexample
476 (gdb) @strong{c}
477 Continuing.
478 Reply contains invalid hex digit 78
479 (gdb) @strong{c}
480 Continuing.
481 @end smallexample
482
483 @noindent Now Pintos will continue and output:
484
485 @smallexample
486 Pintos booting with 4,096 kB RAM...
487 Kernel command line: -q -mlfqs run mlfqs-load-1
488 374 pages available in kernel pool.
489 373 pages available in user pool.
490 Calibrating timer...  102,400 loops/s.
491 Boot complete.
492 Executing 'mlfqs-load-1':
493 (mlfqs-load-1) begin
494 (mlfqs-load-1) spinning for up to 45 seconds, please wait...
495 (mlfqs-load-1) load average rose to 0.5 after 42 seconds
496 (mlfqs-load-1) sleeping for another 10 seconds, please wait...
497 @end smallexample
498
499 @noindent 
500 @dots{}until it gets stuck because of the bug I had introduced.  I hit
501 @key{Ctrl+C} in the debugger window:
502
503 @smallexample
504 Program received signal 0, Signal 0.
505 0xc010168c in next_thread_to_run () at ../../threads/thread.c:649
506 649       while (i <= PRI_MAX && list_empty (&ready_list[i]))
507 (gdb) 
508 @end smallexample
509
510 @noindent 
511 The thread that was running when I interrupted Pintos was the idle
512 thread.  If I run @code{backtrace}, it shows this backtrace:
513
514 @smallexample
515 (gdb) @strong{bt}
516 #0  0xc010168c in next_thread_to_run () at ../../threads/thread.c:649
517 #1  0xc0101778 in schedule () at ../../threads/thread.c:714
518 #2  0xc0100f8f in thread_block () at ../../threads/thread.c:324
519 #3  0xc0101419 in idle (aux=0x0) at ../../threads/thread.c:551
520 #4  0xc010145a in kernel_thread (function=0xc01013ff , aux=0x0)
521     at ../../threads/thread.c:575
522 #5  0x00000000 in ?? ()
523 @end smallexample
524
525 @noindent 
526 Not terribly useful.  What I really like to know is what's up with the
527 other thread (or threads).  Since I keep all threads in a linked list
528 called @code{all_list}, linked together by a @struct{list_elem} member
529 named @code{all_elem}, I can use the @code{btthreadlist} macro from the
530 macro library I wrote.  @code{btthreadlist} iterates through the list of
531 threads and prints the backtrace for each thread:
532
533 @smallexample
534 (gdb) @strong{btthreadlist all_list all_elem}
535 pintos-debug: dumping backtrace of thread 'main' @@0xc002f000
536 #0  0xc0101820 in schedule () at ../../threads/thread.c:722
537 #1  0xc0100f8f in thread_block () at ../../threads/thread.c:324
538 #2  0xc0104755 in timer_sleep (ticks=1000) at ../../devices/timer.c:141
539 #3  0xc010bf7c in test_mlfqs_load_1 () at ../../tests/threads/mlfqs-load-1.c:49
540 #4  0xc010aabb in run_test (name=0xc0007d8c "mlfqs-load-1")
541     at ../../tests/threads/tests.c:50
542 #5  0xc0100647 in run_task (argv=0xc0110d28) at ../../threads/init.c:281
543 #6  0xc0100721 in run_actions (argv=0xc0110d28) at ../../threads/init.c:331
544 #7  0xc01000c7 in main () at ../../threads/init.c:140
545
546 pintos-debug: dumping backtrace of thread 'idle' @@0xc0116000
547 #0  0xc010168c in next_thread_to_run () at ../../threads/thread.c:649
548 #1  0xc0101778 in schedule () at ../../threads/thread.c:714
549 #2  0xc0100f8f in thread_block () at ../../threads/thread.c:324
550 #3  0xc0101419 in idle (aux=0x0) at ../../threads/thread.c:551
551 #4  0xc010145a in kernel_thread (function=0xc01013ff , aux=0x0)
552     at ../../threads/thread.c:575
553 #5  0x00000000 in ?? ()
554 @end smallexample
555
556 @noindent 
557 In this case, there are only two threads, the idle thread and the main
558 thread.  The kernel stack pages (to which the @struct{thread} points)
559 are at @t{0xc0116000} and @t{0xc002f000}, respectively.  The main thread
560 is stuck in @func{timer_sleep}, called from @code{test_mlfqs_load_1}.
561
562 Knowing where threads are stuck can be tremendously useful, for instance
563 when diagnosing deadlocks or unexplained hangs.
564
565 @node Debugging User Programs
566 @subsection Debugging User Programs
567
568 You can also use GDB to debug a user program running under
569 Pintos.  Start by issuing this GDB command to load the
570 program's symbol table:
571 @example
572 add-symbol-file @var{program}
573 @end example
574 @noindent
575 where @var{program} is the name of the program's executable (in the host
576 file system, not in the Pintos file system).  After this, you should be
577 able to debug the user program the same way you would the kernel, by
578 placing breakpoints, inspecting data, etc.  Your actions apply to every
579 user program running in Pintos, not just to the one you want to debug,
580 so be careful in interpreting the results.  Also, a name that appears in
581 both the kernel and the user program will actually refer to the kernel
582 name.  (The latter problem can be avoided by giving the user executable
583 name on the GDB command line, instead of @file{kernel.o}, and then using
584 @code{add-symbol-file} to load @file{kernel.o}.)
585
586 @node GDB FAQ
587 @subsection FAQ
588
589 @table @asis
590 @item GDB can't connect to Bochs.
591
592 If the @command{target remote} command fails, then make sure that both
593 GDB and @command{pintos} are running on the same machine by
594 running @command{hostname} in each terminal.  If the names printed
595 differ, then you need to open a new terminal for GDB on the
596 machine running @command{pintos}.
597
598 @item GDB doesn't recognize any of the macros.
599
600 If you start GDB with @command{pintos-gdb}, it should load the Pintos
601 macros automatically.  If you start GDB some other way, then you must
602 issue the command @code{source @var{pintosdir}/src/misc/gdb-macros},
603 where @var{pintosdir} is the root of your Pintos directory, before you
604 can use them.
605
606 @item Can I debug Pintos with DDD?
607
608 Yes, you can.  DDD invokes GDB as a subprocess, so you'll need to tell
609 it to invokes @command{pintos-gdb} instead:
610 @example
611 ddd --gdb --debugger pintos-gdb
612 @end example
613
614 @item Can I use GDB inside Emacs?
615
616 Yes, you can.  Emacs has special support for running GDB as a
617 subprocess.  Type @kbd{M-x gdb} and enter your @command{pintos-gdb}
618 command at the prompt.  The Emacs manual has information on how to use
619 its debugging features in a section titled ``Debuggers.''
620
621 @item GDB is doing something weird.
622
623 If you notice strange behavior while using GDB, there
624 are three possibilities: a bug in your
625 modified Pintos, a bug in Bochs's
626 interface to GDB or in GDB itself, or
627 a bug in the original Pintos code.  The first and second
628 are quite likely, and you should seriously consider both.  We hope
629 that the third is less likely, but it is also possible.
630 @end table
631
632 @node Triple Faults
633 @section Triple Faults
634
635 When a CPU exception handler, such as a page fault handler, cannot be
636 invoked because it is missing or defective, the CPU will try to invoke
637 the ``double fault'' handler.  If the double fault handler is itself
638 missing or defective, that's called a ``triple fault.''  A triple fault
639 causes an immediate CPU reset.
640
641 Thus, if you get yourself into a situation where the machine reboots in
642 a loop, that's probably a ``triple fault.''  In a triple fault
643 situation, you might not be able to use @func{printf} for debugging,
644 because the reboots might be happening even before everything needed for
645 @func{printf} is initialized.
646
647 There are at least two ways to debug triple faults.  First, you can run
648 Pintos in Bochs under GDB (@pxref{GDB}).  If Bochs has been built
649 properly for Pintos, a triple fault under GDB will cause it to print the
650 message ``Triple fault: stopping for gdb'' on the console and break into
651 the debugger.  (If Bochs is not running under GDB, a triple fault will
652 still cause it to reboot.)  You can then inspect where Pintos stopped,
653 which is where the triple fault occurred.
654
655 Another option is what I call ``debugging by infinite loop.''
656 Pick a place in the Pintos code, insert the infinite loop
657 @code{for (;;);} there, and recompile and run.  There are two likely
658 possibilities:
659
660 @itemize @bullet
661 @item
662 The machine hangs without rebooting.  If this happens, you know that
663 the infinite loop is running.  That means that whatever caused the
664 reboot must be @emph{after} the place you inserted the infinite loop.
665 Now move the infinite loop later in the code sequence.
666
667 @item
668 The machine reboots in a loop.  If this happens, you know that the
669 machine didn't make it to the infinite loop.  Thus, whatever caused the
670 reboot must be @emph{before} the place you inserted the infinite loop.
671 Now move the infinite loop earlier in the code sequence.
672 @end itemize
673
674 If you move around the infinite loop in a ``binary search'' fashion, you
675 can use this technique to pin down the exact spot that everything goes
676 wrong.  It should only take a few minutes at most.
677
678 @node Modifying Bochs
679 @section Modifying Bochs
680
681 An advanced debugging technique is to modify and recompile the
682 simulator.  This proves useful when the simulated hardware has more
683 information than it makes available to the OS.  For example, page
684 faults have a long list of potential causes, but the hardware does not
685 report to the OS exactly which one is the particular cause.
686 Furthermore, a bug in the kernel's handling of page faults can easily
687 lead to recursive faults, but a ``triple fault'' will cause the CPU to
688 reset itself, which is hardly conducive to debugging.
689
690 In a case like this, you might appreciate being able to make Bochs
691 print out more debug information, such as the exact type of fault that
692 occurred.  It's not very hard.  You start by retrieving the source
693 code for Bochs 2.2.6 from @uref{http://bochs.sourceforge.net} and
694 extracting it into a directory.  Then read
695 @file{pintos/src/misc/bochs-2.2.6.README} and apply the patches needed.
696 Then run @file{./configure}, supplying the options you want (some
697 suggestions are in the patch file).  Finally, run @command{make}.
698 This will compile Bochs and eventually produce a new binary
699 @file{bochs}.  To use your @file{bochs} binary with @command{pintos},
700 put it in your @env{PATH}, and make sure that it is earlier than
701 @file{/usr/class/cs140/`uname -m`/bochs}.
702
703 Of course, to get any good out of this you'll have to actually modify
704 Bochs.  Instructions for doing this are firmly out of the scope of
705 this document.  However, if you want to debug page faults as suggested
706 above, a good place to start adding @func{printf}s is
707 @func{BX_CPU_C::dtranslate_linear} in @file{cpu/paging.cc}.
708
709 @node Debugging Tips
710 @section Tips
711
712 The page allocator in @file{threads/palloc.c} and the block allocator in
713 @file{threads/malloc.c} clear all the bytes in memory to
714 @t{0xcc} at time of free.  Thus, if you see an attempt to
715 dereference a pointer like @t{0xcccccccc}, or some other reference to
716 @t{0xcc}, there's a good chance you're trying to reuse a page that's
717 already been freed.  Also, byte @t{0xcc} is the CPU opcode for ``invoke
718 interrupt 3,'' so if you see an error like @code{Interrupt 0x03 (#BP
719 Breakpoint Exception)}, then Pintos tried to execute code in a freed page or
720 block.
721
722 An assertion failure on the expression @code{sec_no < d->capacity}
723 indicates that Pintos tried to access a file through an inode that has
724 been closed and freed.  Freeing an inode clears its starting sector
725 number to @t{0xcccccccc}, which is not a valid sector number for disks
726 smaller than about 1.6 TB.