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Linux 内核日志系统—printk的机制与应用

往期内容

本专栏往期内容：Uart子系统

  1. UART串口硬件介绍
  2. 深入理解TTY体系：设备节点与驱动程序框架详解
  3. Linux串口应用编程：从UART到GPS模块及字符设备驱动
  4. 解UART 子系统：Linux Kernel 4.9.88 中的核心结构体与设计详解
  5. IMX 平台UART驱动情景分析：注册篇
  6. IMX 平台UART驱动情景分析：open篇
  7. IMX 平台UART驱动情景分析：read篇–从硬件驱动到行规程的全链路剖析
  8. IMX 平台UART驱动情景分析：write篇–从 TTY 层到硬件驱动的写操作流程解析
  9. 深入浅出UART驱动开发与调试：从基础调试到虚拟驱动实现

interrupt子系统专栏：

  1. 专栏地址：interrupt子系统
  2. Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发 – 末片，有专栏内容观看顺序

pinctrl和gpio子系统专栏：

  1. 专栏地址：pinctrl和gpio子系统
  2. 编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序：和pinctrl的交互使用– 末片，有专栏内容观看顺序

input子系统专栏：

  1. 专栏地址：input子系统
  2. input角度：I2C触摸屏驱动分析和编写一个简单的I2C驱动程序 – 末片，有专栏内容观看顺序

I2C子系统专栏：

  1. 专栏地址：IIC子系统
  2. 具体芯片的IIC控制器驱动程序分析：i2c-imx.c-CSDN博客 – 末篇，有专栏内容观看顺序

总线和设备树专栏：

  1. 专栏地址：总线和设备树
  2. 设备树与 Linux 内核设备驱动模型的整合-CSDN博客 – 末篇，有专栏内容观看顺序

img

目录

1.内核代码

linux 4.9.88：

  • kernel/printk.c📎printk.c
  • include/linux/kernel.h📎kernel.h
  • kernel/printk/internal.h📎internal.h

在 Linux 内核开发中，

**printk**

是最常用的调试工具之一，主要用于输出内核日志信息。

printk

不仅类似用户空间的 

printf

，还提供了日志级别管理功能，通过指定日志级别（如 

KERN_WARNING

），可以精准控制日志信息的输出范围和重要性。本文系统梳理了 

printk

的使用方法、日志级别管理、日志信息的存储位置，以及输出过程的核心机制。通过解析源码和示例，详细展示了如何利用 

console_loglevel

等宏调控日志输出行为，并剖析了内核是如何通过 

call_console_drivers

将日志发送到不同设备。

2.printk的使用

img

2.1 使用实例

调试内核、驱动的最简单方法，是使用printk函数打印信息。

printk函数与用户空间的printf函数格式完全相同，它所打印的字符串头部可以加入“\001n”样式的字符。

其中n为0～7，表示这条信息的记录级别，n数值越小级别越高。

注意：linux 2.x内核里，打印级别是用""来表示。

在驱动程序中，可以这样使用printk：

printk("This is an example\n");printk("\0014This is an example\n");printk("\0014""This is an example\n");printk(KERN_WARNING"This is an example\n");

在上述例子中：

  • 第一条语句没有明确表明打印级别，它被处理前内核会在前面添加默认的打印级别：“<4>”
  • KERN_WARNING是一个宏，它也表示打印级别：
#defineKERN_SOH"\001"/* ASCII Start Of Header */#defineKERN_WARNINGKERN_SOH "4"/* warning conditions */

现在知道了，内核的每条打印信息都有自己的级别，当自己的级别在数值上小于某个阈值时，内核才会打印该信息。

2.2 printk的记录级别

在内核代码

include/linux/kernel.h

中，下面几个宏确定了printk函数怎么处理打印级别：

#defineconsole_loglevel(console_printk[0])#definedefault_message_loglevel(console_printk[1])#defineminimum_console_loglevel(console_printk[2])#definedefault_console_loglevel(console_printk[3])

举例说明这几个宏的含义：

① 对于printk(“……”)，只有n小于console_loglevel时，这个信息才会被打印。

② 假设default_message_loglevel的值等于4，如果printk的参数开头没有“”样式的字符，则在printk函数中进一步处理前会自动加上“<4>”；

③ minimum_console_logleve是一个预设值，平时不起作用。通过其他工具来设置console_loglevel的值时，这个值不能小于minimum_console_logleve。

④ default_console_loglevel也是一个预设值，平时不起作用。它表示设置console_loglevel时的默认值，通过其他工具来设置console_loglevel的值时，用到这个值。
理解（原）
这些宏定义用于简化对 

console_printk

数组的访问，该数组用于控制Linux内核的日志输出级别。每个宏代表了一个不同的日志级别或设置。具体含义如下：

  • console_loglevel：当前控制台的日志级别，决定了内核日志中哪些信息会输出到控制台。
  • default_message_loglevel：内核日志消息的默认日志级别。
  • minimum_console_loglevel：控制台日志输出的最低允许级别。
  • default_console_loglevel：系统启动时的默认控制台日志级别。

举例说明：

假设 

console_printk

数组的值为 

[4, 3, 1, 7]

：

int console_printk[] = {4, 3, 1, 7};

现在基于宏定义：

  1. console_loglevel（console_printk[0]）：表示当前控制台的日志级别为4。通常，日志级别为4意味着只会显示警告及以上级别的消息（0-4级）。
    • 示例：console_loglevel = 4，控制台会显示KERN_EMERG、KERN_ALERT、KERN_CRIT、KERN_ERR和KERN_WARNING的消息，但KERN_NOTICE及以下的消息不会显示。
  1. default_message_loglevel（console_printk[1]）：表示内核消息的默认日志级别为3。即，如果没有显式指定消息的日志级别，那么这些消息将按照3级别处理。
    • 示例：default_message_loglevel = 3，默认情况下，内核会处理消息为KERN_ERR级别。
  1. minimum_console_loglevel（console_printk[2]）：表示控制台允许输出的最低日志级别为1。这意味着即使console_loglevel较高，也不会输出低于1级别的消息。
    • 示例：minimum_console_loglevel = 1，控制台会输出KERN_EMERG和KERN_ALERT级别的消息，不会输出KERN_DEBUG或KERN_INFO级别的消息。
  1. default_console_loglevel（console_printk[3]）：系统启动时的默认控制台日志级别为7。这表示系统启动时控制台会显示所有级别的日志（0-7级别）。
    • 示例：default_console_loglevel = 7，启动时，控制台显示包括KERN_DEBUG和KERN_INFO的所有日志信息。

日志级别（从高到低）：

  • 0: KERN_EMERG（紧急）
  • 1: KERN_ALERT（警报）
  • 2: KERN_CRIT（严重）
  • 3: KERN_ERR（错误）
  • 4: KERN_WARNING（警告）
  • 5: KERN_NOTICE（通知）
  • 6: KERN_INFO（信息）
  • 7: KERN_DEBUG（调试）

实际应用场景：

  1. 当系统运行时，你可以通过更改 console_loglevel 来控制哪些日志消息输出到控制台。例如，设置 console_loglevel 为 3 后，控制台将只显示错误及以上的日志消息。
console_loglevel = 3;
  1. 系统启动时，default_console_loglevel 决定了启动时控制台输出的日志级别。如果你希望在系统启动时看到所有日志，可以将其设置为 7。

通过这些宏，开发者能够灵活控制日志输出，避免过多不必要的信息占用控制台，同时确保关键的错误和警报被记录和显示。

上面代码中，console_printk是一个数组，它在kernel/printk.c中定义：

/* 数组里的宏在include/linux/printk.h中定义
 */int console_printk[4]={
    CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,/* console_loglevel */
    MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT,/* default_message_loglevel */
    CONSOLE_LOGLEVEL_MIN,/* minimum_console_loglevel */
    CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,/* default_console_loglevel */};/* Linux 4.9.88 include/linux/printk.h */#defineCONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT7/* anything MORE serious than KERN_DEBUG */#defineMESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULTCONFIG_MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT#defineCONSOLE_LOGLEVEL_MIN1/* Minimum loglevel we let people use */

2.3 在用户空间修改printk函数的记录级别

挂接proc文件系统后，读取/proc/sys/kernel/printk文件可以得知console_loglevel、default_message_loglevel、minimum_console_loglevel和default_console_loglevel这4个值。

比如执行以下命令，它的结果“7 4 1 7”表示这4个值：

img也可以直接修改/proc/sys/kernel/printk文件来改变这4个值，比如：

# echo "1 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk

这使得console_loglevel被改为1，于是所有的printk信息都不会被打印。

img

2.4 printk函数记录级别的名称及使用

在内核代码include/linux/kernel.h中，有如下代码，它们表示0～7这8个记录级别的名称：

#defineKERN_SOH"\001"/* ASCII Start Of Header */#defineKERN_SOH_ASCII'\001'#defineKERN_EMERGKERN_SOH "0"/* system is unusable */#defineKERN_ALERTKERN_SOH "1"/* action must be taken immediately */#defineKERN_CRITKERN_SOH "2"/* critical conditions */#defineKERN_ERRKERN_SOH "3"/* error conditions */#defineKERN_WARNINGKERN_SOH "4"/* warning conditions */#defineKERN_NOTICEKERN_SOH "5"/* normal but significant condition */#defineKERN_INFOKERN_SOH "6"/* informational */#defineKERN_DEBUGKERN_SOH "7"/* debug-level messages */

在使用printk函数时，可以这样使用记录级别；

printk(KERN_WARNING”there is a warning here!\n”)

3 printk执行过程

3.1 函数调用过程

在嵌入式Linux开发中，printk信息常常从串口输出，这时串口被称为串口控制台。从内核kernel/printk.c的printk函数开始，往下查看它的调用关系，可以知道printk函数是如何与具体设备的输出函数挂钩的。

printk函数调用的子函数的主要脉落如下：

printk
    // linux 4.9: kernel/printk/internal.h// linux 5.4: kernel/printk/printk_safe.c
    vprintk_func 
        vprintk_default(fmt, args);
            vprintk_emit
                vprintk_store // 把要打印的信息保存在log_buf中
                    log_output
                
                preempt_disable();if(console_trylock_spinning())console_unlock();preempt_enable();

console_unlock
    for(;;){
        
        msg =log_from_idx(console_idx);if(suppress_message_printing(msg->level)){/* 如果消息的级别数值大于console_loglevel, 则不打印此信息 */}printk_safe_enter_irqsave(flags);call_console_drivers(ext_text, ext_len, text, len);printk_safe_exit_irqrestore(flags);}

call_console_drivers函数调用驱动程序打印信息，此函数在

kernel\printk\printk.c

中，代码如下：

img

这个函数 

call_console_drivers()

用于将日志信息发送到所有注册的控制台驱动程序（

console drivers

），从而实现日志的实际输出。内核日志系统中的消息被记录在 

log_buf

中，而该函数负责调用控制台驱动程序，将这些消息写到终端或串口等输出设备上。

staticvoidcall_console_drivers(int level,constchar*ext_text,size_t ext_len,constchar*text,size_t len)
  • 函数参数：- level：日志级别，表示消息的严重性，如KERN_ERR、KERN_WARNING等。- ext_text：扩展文本（可选的额外日志信息），这是扩展格式的日志内容指针。- ext_len：扩展文本的长度。- text：常规日志内容的指针，指向 log_buf 中要写到控制台的日志内容。- len：常规日志内容的长度。

\1. 

trace_console_rcuidle(text, len);
  • 调用了跟踪函数 trace_console_rcuidle，它通常用于内核中的调试和性能跟踪。rcuidle 表示即使在 RCU（Read-Copy-Update）空闲期间，也可以追踪日志输出情况。此处记录了日志信息的内容及其长度，便于后续分析日志的写入过程。

\2. 

if (!console_drivers) return;
  • 检查是否存在任何控制台驱动程序（console_drivers），如果没有控制台驱动程序可用，则直接返回，什么都不做。

\3. 

for_each_console(con)
  • 遍历系统中所有已注册的控制台驱动。con 是每次循环中的一个控制台驱动指针。内核通过控制台系统可以支持多种类型的输出设备，比如显示器、串口、虚拟终端等。

\4. 

if (exclusive_console && con != exclusive_console) continue;
  • 检查是否有设置“独占”控制台（exclusive_console）。如果当前控制台不是被设置为独占的控制台，则跳过该控制台，继续循环。独占控制台意味着只允许输出到指定的控制台。

\5. 

if (!(con->flags & CON_ENABLED)) continue;
  • 检查当前控制台的 flags 中是否包含 CON_ENABLED 标志位。如果该标志位没有设置，说明该控制台没有启用，函数继续下一次循环。- CON_ENABLED：表示控制台启用状态。

\6. 

if (!con->write) continue;
  • 检查控制台是否有定义 write 函数。如果控制台驱动未定义 write 函数，则无法输出日志，继续循环。每个控制台驱动都应该提供一个 write 函数，负责将日志写到设备上（如显示器、串口等）。

\7. 

if (!cpu_online(smp_processor_id()) && !(con->flags & CON_ANYTIME)) continue;
  • 检查当前处理器是否在线（cpu_online(smp_processor_id())），以及当前控制台是否允许在非在线CPU上运行（con->flags & CON_ANYTIME）。- CON_ANYTIME：允许在处理器非在线状态时仍然输出日志。这是一些早期引导过程中或紧急情况下需要输出日志的场景。

\8. 

if (con->flags & CON_EXTENDED)
  • 检查控制台是否设置了 CON_EXTENDED 标志位。如果控制台支持扩展格式（CON_EXTENDED），则调用 con->write 函数，将扩展文本内容 ext_text 写入控制台。- con->write(con, ext_text, ext_len);：控制台的 write 函数负责将日志内容输出到实际设备上，例如终端、串口等。这里传递的是扩展格式文本。

\9. 

else con->write(con, text, len);
  • 如果控制台不支持扩展格式，执行 else 分支，调用 con->write 函数，将常规日志文本 text 写入控制台。

在Linux内核中，控制台系统负责处理各种日志的输出设备，如显示器、串口和虚拟终端。内核中的每个控制台驱动都应该实现一个 

write

函数，这个函数在日志输出时会被调用。

call_console_drivers()

就是遍历这些控制台驱动，逐个调用它们的 

write

方法，将日志内容输出。

  1. 遍历所有控制台：函数通过 for_each_console 遍历内核中所有注册的控制台驱动。
  2. 输出条件过滤：对控制台是否启用、是否独占、是否在线、是否定义了 write 函数等条件进行检查，确保只有符合条件的控制台可以输出日志。
  3. 根据控制台类型输出：根据控制台是否支持扩展格式，分别调用 con->write，输出扩展或常规格式的日志内容。

3.2 内核打印信息保存在哪

执行

dmesg

命令可以打印以前的内核信息，所以这些信息必定是保存在内核buffer中。

在

kernel\printk\printk.c

中，定义有一个全局buffer：

img

执行

dmesg

命令时，它就是访问虚拟文件

/proc/kmsg

，把log_buf中的信息打印出来。

3.3 printk信息从哪些设备打印出来？

在内核的启动信息中，有类似这样的命令行参数：

/* IMX6ULL */
[root@100ask:~]# cat /proc/cmdlineconsole=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw

在命令行参数中，"console=ttymxc0"就是用来选择printk设备的。

可以指定多个"console="参数，表示从多个设备打印信息。

命令行信息来自哪里？

  • 设备树
/{
    chosen {
                bootargs ="console=ttymxc1,115200";};};
  • UBOOT根据环境参数修改设备树：IMX6ULL
/* 进入IMX6ULL的UBOOT */=> print mmcargs
mmcargs=setenv bootargs console=${console},${baudrate} root=${mmcroot}=> print console
console=ttymxc0
=> print baudrate
baudrate=115200
标签： 嵌入式 linux驱动开发 arm开发
本文转载自: https://blog.csdn.net/caiji0169/article/details/144163401
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