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在unix系統中實作堆棧跟蹤

 在程式運作的過程中，如果出現異常，通常會發出一個信号進入信号處理函數中處理。有些故障過于嚴重到無法實作程式的自恢複。這個時候，程式隻能無奈的輸出一些錯誤資訊。當然這些錯誤資訊對程式的調試也是非常有幫助的，我們在Java中如果出現異常的話，一般都會列印出堆棧跟蹤的資訊。

當然，除了列印堆棧資訊外，也能在程式的某些點設定一些調試資訊友善輸出程式出錯的行号，函數名和檔案名。但是這種方式的功能畢竟是有限的，很多異常出現的位置可能并沒有設定這樣的調試語句。這樣，還是堆棧資訊比較重要。因為這是運作時輸出的資訊，而輸出行号，檔案名，函數名的方式隻能在編譯時确定。

堆棧跟蹤主要和三個函數相關，分别為backtrace, backtrace_symbols,以及backtrace_symbols_fd.關于這三個函數的資訊如下：

#include <execinfo.h>

int backtrace(void **buffer, int size);

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

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

我們知道函數調用的過程是嵌套的，在存儲器中一般将每個函數對應為一個堆棧幀，每個堆棧幀儲存相應函數的相關資訊，如：參數資訊，傳回位址資訊，函數正文段，動态連結清單，詞法連結清單等。函數調用的過程就是堆棧幀動态變化的過程，每調用一個函數，堆棧中就為該函數建立一塊堆棧幀，堆棧幀的具體實作對應為一個堆棧幀資料結構，資料結構中儲存前面提到的資訊。

backtrace函數傳回backtrace函數被調用時的堆棧資訊。這些資訊存放在緩沖區buffer中。backtrace函數有兩個參數：

buffer：用于存放堆棧資訊的緩沖區

size：用于訓示buffer的大小。

要充分考慮到buffer的大小，因為如果函數調用的層次過深可能導緻buffer空間不夠，這樣就隻能儲存一部分堆棧資訊，靠近main函數這端的資訊會因為空間不夠而被裁掉。buffer是一個指向二維數組的指針，類型為void. buffer中所儲存的是一系列堆棧幀的傳回位址。traceback函數将傳回堆棧中跟蹤到的函數的個數。

将trace函數傳回的buffer和傳回的函數個數分别作為backtrace_symbols就可以解析出這些跟蹤到的函數的符号名稱，确切的說，backtrace_symbols函數将針對buffer中每一個函數傳回位址進行解析，解析後的格式為：./程式名（<函數名+>函數的在程式中的十六進制格式偏移位址） [函數實際的傳回十六進制格式的位址]，解析後的結果儲存為二維字元數組，傳回值為二維數組的起始位址。

設傳回的二維數組為strings,由于在backtrace_symbols内部調用了malloc開辟空間，是以需要使用者來釋放空間。不過使用者隻需要釋放strings所指向的字元串指針數組即可，對于每個字元串不用釋放，也不應該釋放，内部會自動維護。

函數traceback_symbols_fd将輸出堆棧資訊到fd所說明的檔案中。這樣有一個好處就是不用調用malloc函數了，避免了記憶體配置設定失敗的可能性。

然而，需要注意的是，有些函數是不能通過traceback_symbols函數解析出來的，這些情況為：

l  内聯函數（沒有對應的堆棧幀）

l  優化級别較高的編譯選項會導緻某些函數的堆棧指針不會被儲存

l  尾遞歸優化可能導緻多個函數（遞歸）隻使用一個堆棧幀

l  靜态函數的名字不能解析到

另外在連結的時候需要添加一些特殊的選項，對于GCC這個選項是 –rdynamic。下面是一個簡單的程式，展示怎樣使用backtrace系列函數。

     
  1.  /*        
    2.           
  2.  *Author:Chaos Lee        
    3.           
  3.  *Date:2012-02-26  21:35        
    4.           
  4.  */        
    5.           
  5.  #include<stdio.h>        
    6.           
  6.  #include<execinfo.h>        
    7.           
  7.  #include<stdlib.h>        
    8.           
  8.  #define MAX_LEN 256        
    9.           
  9.  void show_stack_info()        
    10.           
  10.  {        
    11.           
  11.           void *buffer[MAX_LEN];        
    12.           
  12.           int returned_size;        
    13.           
  13.           char **strings;        
    14.           
  14.           int i=0;        
    15.           
  15.           returned_size=backtrace(buffer,MAX_LEN);        
    16.           
  16.           printf("%d addresses are returned.\n",returned_size);        
    17.           
  17.           strings=backtrace_symbols(buffer,returned_size);        
    18.           
  18.           if(strings==NULL)        
    19.           
  19.                     exit(1);        
    20.           
  20.           for(i=0;i<returned_size;i++)        
    21.           
  21.           {        
    22.           
  22.                     printf("%s\n",strings[i]);        
    23.           
  23.           }        
    24.           
  24.  }        
    25.           
  25.  void func4(int a)        
    26.           
  26.  {        
    27.           
  27.           if(a>0)        
    28.           
  28.                     func4(--a);        
    29.           
  29.           else        
    30.           
  30.                     show_stack_info();        
    31.           
  31.  }        
    32.           
  32.  static void func3(int a)        
    33.           
  33.  {        
    34.           
  34.           func4(--a);        
    35.           
  35.  }        
    36.           
  36.  void func2(int a)        
    37.           
  37.  {        
    38.           
  38.           func3(--a);        
    39.           
  39.  }        
    40.           
  40.  void func1(int a)        
    41.           
  41.  {        
    42.           
  42.           func2(--a);        
    43.           
  43.  }        
    44.           
  44.  int main()        
    45.           
  45.  {        
    46.           
  46.           func1(10);        
    47.           
  47.           return 0;        
    48.           
  48.  }        
    49.

編譯指令為：

     
  1.  gcc traceback.c -o traceback –rdynamic        
    2.

然後運作之：./traceback

輸出結果如下：

     
  1.  15 addresses are returned.        
    2.           
  2.  ./traceback(show_stack_info+0x23) [0x40085b]        
    3.           
  3.  ./traceback(func4+0x29) [0x4008e9]        
    4.           
  4.  ./traceback(func4+0x1d) [0x4008dd]        
    5.           
  5.  ./traceback(func4+0x1d) [0x4008dd]        
    6.           
  6.  ./traceback(func4+0x1d) [0x4008dd]        
    7.           
  7.  ./traceback(func4+0x1d) [0x4008dd]        
    8.           
  8.  ./traceback(func4+0x1d) [0x4008dd]        
    9.           
  9.  ./traceback(func4+0x1d) [0x4008dd]        
    10.           
  10.  ./traceback(func4+0x1d) [0x4008dd]        
    11.           
  11.  ./traceback [0x400902]        
    12.           
  12.  ./traceback(func2+0x17) [0x40091b]        
    13.           
  13.  ./traceback(func1+0x17) [0x400934]        
    14.           
  14.  ./traceback(main+0xe) [0x400944]        
    15.           
  15.  /lib64/libc.so.6(__libc_start_main+0xf4) [0x38ba61d8a4]        
    16.           
  16.  ./traceback [0x4007a9]        
    17.
unix 調試 Traceback 堆棧資訊 運作時
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