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2016
08-09

Linux下利用backtrace追踪函数调用堆栈以及定位段错误

一般察看函数运行时堆栈的方法是使用GDB(bt命令)之类的外部调试器,但是,有些时候为了分析程序的BUG,(主要针对长时间运行程序的分析),在程序出错时打印出函数的调用堆栈是非常有用的。

在glibc头文件"execinfo.h"中声明了三个函数用于获取当前线程的函数调用堆栈。

int backtrace(void **buffer,int size) 

该函数用于获取当前线程的调用堆栈,获取的信息将会被存放在buffer中,它是一个指针列表。参数 size 用来指定buffer中可以保存多少个void* 元素。函数返回值是实际获取的指针个数,最大不超过size大小

在buffer中的指针实际是从堆栈中获取的返回地址,每一个堆栈框架有一个返回地址

注意:某些编译器的优化选项对获取正确的调用堆栈有干扰,另外内联函数没有堆栈框架;删除框架指针也会导致无法正确解析堆栈内容

char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size) 

backtrace_symbols将从backtrace函数获取的信息转化为一个字符串数组. 参数buffer应该是从backtrace函数获取的指针数组,size是该数组中的元素个数(backtrace的返回值)

函数返回值是一个指向字符串数组的指针,它的大小同buffer相同.每个字符串包含了一个相对于buffer中对应元素的可打印信息.它包括函数名,函数的偏移地址,和实际的返回地址

现在,只有使用ELF二进制格式的程序才能获取函数名称和偏移地址.在其他系统,只有16进制的返回地址能被获取.另外,你可能需要传递相应的符号给链接器,以能支持函数名功能(比如,在使用GNU ld链接器的系统中,你需要传递(-rdynamic), -rdynamic可用来通知链接器将所有符号添加到动态符号表中,如果你的链接器支持-rdynamic的话,建议将其加上!)

该函数的返回值是通过malloc函数申请的空间,因此调用者必须使用free函数来释放指针.

注意:如果不能为字符串获取足够的空间函数的返回值将会为NULL

void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd) 

backtrace_symbols_fd与backtrace_symbols 函数具有相同的功能,不同的是它不会给调用者返回字符串数组,而是将结果写入文件描述符为fd的文件中,每个函数对应一行.它不需要调用malloc函数,因此适用于有可能调用该函数会失败的情况
 
下面是glibc中的实例(稍有修改):

#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* Obtain a backtrace and print it to @code{stdout}. */
void print_trace (void)
{
  void *array[10];
  size_t size;
  char **strings;
  size_t i;
 
  size = backtrace (array, 10);
  strings = backtrace_symbols (array, size);
  if (NULL == strings)
  {
    perror("backtrace_synbols");
    Exit(EXIT_FAILURE);
  }

  printf ("Obtained %zd stack frames.\n", size);

  for (i = 0; i < size; i++)
  printf ("%s\n", strings[i]);

  free (strings);
  strings = NULL;
}

/* A dummy function to make the backtrace more interesting. */
void dummy_function (void)
{
  print_trace ();
}

int main (int argc, char *argv[])
{
  dummy_function ();
  return 0;
}

输出如下:

Obtained 4 stack frames.
./execinfo() [0x80484dd]
./execinfo() [0x8048549]
./execinfo() [0x8048556]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3) [0x70a113]

我们还可以利用这backtrace来定位段错误位置。

通常情况下,程序发生段错误时系统会发送SIGSEGV信号给程序,缺省处理是退出函数。我们可以使用 signal(SIGSEGV, &your_function);函数来接管SIGSEGV信号的处理,程序在发生段错误后,自动调用我们准备好的函数,从而在那个函数里来获取当前函数调用栈。

举例如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stddef.h>
#include <execinfo.h>
#include <signal.h>

void dump(int signo)
{
  void *buffer[30] = {0};
  size_t size;
  char **strings = NULL;
  size_t i = 0;

  size = backtrace(buffer, 30);
  fprintf(stdout, "Obtained %zd stack frames.nm\n", size);
  strings = backtrace_symbols(buffer, size);
  if (strings == NULL)
  {
    perror("backtrace_symbols.");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
 
  for (i = 0; i < size; i++)
  {
    fprintf(stdout, "%s\n", strings[i]);
  }
  free(strings);
  strings = NULL;
  exit(0);
}

void func_c()
{
  *((volatile char *)0x0) = 0x9999;
}

void func_b()
{
  func_c();
}

void func_a()
{
  func_b();
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
  if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)
  perror("can't catch SIGSEGV");
  func_a();
  return 0;
}

编译程序:
gcc -g -rdynamic test.c -o test; ./test
输出如下:

Obtained6stackframes.nm
./backstrace_debug(dump+0x45)[0x80487c9]
[0x468400]
./backstrace_debug(func_b+0x8)[0x804888c]
./backstrace_debug(func_a+0x8)[0x8048896]
./backstrace_debug(main+0x33)[0x80488cb]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3)[0x129113]

接着:
objdump -d test > test.s
在test.s中搜索804888c如下:

8048884 <func_b>:
8048884: 55          push %ebp
8048885: 89 e5      mov %esp, %ebp
8048887: e8 eb ff ff ff      call 8048877 <func_c>
804888c: 5d            pop %ebp
804888d: c3            ret

其中80488c时调用(call 8048877)C函数后的地址,虽然并没有直接定位到C函数,通过汇编代码, 基本可以推出是C函数出问题了(pop指令不会导致段错误的)。
我们也可以通过addr2line来查看

addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f 

输出:

func_b
/home/astrol/c/backstrace_debug.c:57

最后编辑:
作者:liujg
真实-不弄虚,不做假,做自己,不违心; 踏实-不浮躁,不盲从,不急功,不近利; 实学-不投机,不取巧,勤于学,精于业。