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嵌入式 linux下利用backtrace追踪函数调用堆栈以及定位段错误

2019-07-12 16:20发布

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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。   [cpp] view plaincopyprint?
  1. int backtrace(void **buffer,int size)  
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   [cpp] view plaincopyprint?
  1. char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size)  
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   [cpp] view plaincopyprint?
  1. void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd)  
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）： [cpp] view plaincopyprint?
  1. #include    
  2. #include    
  3. #include    
  4.   
  5. /* Obtain a backtrace and print it to @code{stdout}. */  
  6. void print_trace (void)  
  7. {  
  8.     void *array[10];  
  9.     size_t size;  
  10.     char **strings;  
  11. 　   size_t i;  
  12. 　  
  13.     size = backtrace (array, 10);  
  14.     strings = backtrace_symbols (array, size);  
  15.     if (NULL == strings)  
  16.     {  
  17. 　       perror("backtrace_synbols");  
  18.         Exit(EXIT_FAILURE);  
  19.     }  
  20.   
  21.     printf ("Obtained %zd stack frames. ", size);  
  22.   
  23.     for (i = 0; i < size; i++)  
  24.         printf ("%s ", strings[i]);  
  25.   
  26.     free (strings);  
  27. 　   strings = NULL;  
  28. }  
  29.   
  30. /* A dummy function to make the backtrace more interesting. */  
  31. void dummy_function (void)  
  32. {  
  33.     print_trace ();  
  34. }  
  35.   
  36. int main (int argc, char *argv[])  
  37. {  
  38.     dummy_function ();  
  39.     return 0;  
  40. }  
#include #include #include /* 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. ", size); for (i = 0; i < size; i++) printf ("%s ", 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： [cpp] view plaincopyprint?
  1. Obtained 4 stack frames.  
  2. ./execinfo() [0x80484dd]  
  3. ./execinfo() [0x8048549]  
  4. ./execinfo() [0x8048556]  
  5. /lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3) [0x70a113]  
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。 通常情况系，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： [cpp] view plaincopyprint?
  1. #include    
  2. #include    
  3. #include    
  4. #include    
  5. #include    
  6.   
  7. void dump(int signo)  
  8. {  
  9.     void *buffer[30] = {0};  
  10.     size_t size;  
  11.     char **strings = NULL;  
  12.     size_t i = 0;  
  13.   
  14.     size = backtrace(buffer, 30);  
  15.     fprintf(stdout, "Obtained %zd stack frames.nm ", size);  
  16.     strings = backtrace_symbols(buffer, size);  
  17.     if (strings == NULL)  
  18.     {  
  19.         perror("backtrace_symbols.");  
  20.         exit(EXIT_FAILURE);  
  21.     }  
  22.       
  23.     for (i = 0; i < size; i++)  
  24.     {  
  25.         fprintf(stdout, "%s ", strings[i]);  
  26.     }  
  27.     free(strings);  
  28.     strings = NULL;  
  29.     exit(0);  
  30. }  
  31.   
  32. void func_c()  
  33. {  
  34.     *((volatile char *)0x0) = 0x9999;  
  35. }  
  36.   
  37. void func_b()  
  38. {  
  39.     func_c();  
  40. }  
  41.   
  42. void func_a()  
  43. {  
  44.     func_b();  
  45. }  
  46.   
  47. int main(int argc, const char *argv[])  
  48. {  
  49.     if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)  
  50.         perror("can't catch SIGSEGV");  
  51.     func_a();  
  52.     return 0;  
  53. }  
#include #include #include #include #include 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 ", size); strings = backtrace_symbols(buffer, size); if (strings == NULL) { perror("backtrace_symbols."); exit(EXIT_FAILURE); } for (i = 0; i < size; i++) { fprintf(stdout, "%s ", 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： [cpp] view plaincopyprint?
  1. Obtained6stackframes.nm  
  2. ./backstrace_debug(dump+0x45)[0x80487c9]  
  3. [0x468400]  
  4. ./backstrace_debug(func_b+0x8)[0x804888c]  
  5. ./backstrace_debug(func_a+0x8)[0x8048896]  
  6. ./backstrace_debug(main+0x33)[0x80488cb]  
  7. /lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3)[0x129113]  
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]  （这里有个疑问： 多次运行的结果是/lib/i368-linux-gnu/libc.so.6和[0x468400]的返回地址是变化的，但不变的是后三位， 不知道为什么） 接着： objdump -d test > test.s 在test.s中搜索804888c如下：   [cpp] view plaincopyprint?
  1. 8048884 :  
  2. 8048884:    55              push %ebp  
  3. 8048885:    89 e5            mov %esp, %ebp  
  4. 8048887:    e8 eb ff ff ff       call 8048877   
  5. 804888c:    5d                pop %ebp  
  6. 804888d:    c3                ret  
8048884 : 8048884: 55 push %ebp 8048885: 89 e5 mov %esp, %ebp 8048887: e8 eb ff ff ff call 8048877 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 [cpp] view plaincopyprint?
  1. addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f  
addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f 输出： [cpp] view plaincopyprint?
  1. func_b  
  2. /home/astrol/c/backstrace_debug.c:57  
func_b /home/astrol/c/backstrace_debug.c:57
  以下是简单的backtrace原理实现：   [cpp] view plaincopyprint?
  1. #include    
  2. #include    
  3. #include    
  4.   
  5. #define LEN 4   
  6. #define FILENAME "stack"   
  7.   
  8. int backtrace(void **buffer, int size)  
  9. {  
  10.     int i = 0;  
  11.     unsigned long int reg_eip = 0;  
  12.     unsigned long int reg_ebp = 0;  
  13.     char cmd[size][64];  
  14.   
  15.     memset(cmd, 0, size * 64);  
  16.     __asm__ volatile (  
  17.         /* get current EBP */  
  18.         "movl %%ebp, %0  "  
  19.         :"=r"(reg_ebp)  /* output register */  
  20.         :       /* input  register */  
  21.         :"memory"   /* cloberred register */  
  22.     );    
  23.   
  24.     for (i = 0; i < size; i++)  
  25.     {  
  26.         reg_eip = *(unsigned long int *)(reg_ebp + 4);  
  27.         reg_ebp = *(unsigned long int *)(reg_ebp);  
  28.         buffer[i] = (void *)reg_eip;  
  29.         fprintf(stderr, "%p -> ", buffer[i]);  
  30.         sprintf(cmd[i], "addr2line %p -e ", buffer[i]);  
  31.         strncat(cmd[i], FILENAME" -f", strlen(FILENAME)+3);  
  32.         system(cmd[i]);  
  33.         puts("");         
  34.     }  
  35.   
  36.     return size;  
  37. }  
  38.   
  39. static void test2(void)  
  40. {  
  41.     int i = 0;  
  42.     void *buffer[LEN] = {0};  
  43.     backtrace(buffer, LEN);  
  44.     return;  
  45. }  
  46.   
  47. static void test1(void)  
  48. {  
  49.     test2();  
  50. }  
  51.   
  52. static void test(void)  
  53. {  
  54.     test1();  
  55. }  
  56.   
  57. int main(int argc, const char *argv[])  
  58. {  
  59.     test();  
  60.     return 0;  
  61. }  

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