嵌入式 linux下利用backtrace追蹤函數調用堆棧以及定位段錯誤

嵌入式 linux下利用backtrace追蹤函數調用堆棧以及定位段錯誤

一般察看函數運作時堆棧的方法是使用GDB（bt指令）之類的外部調試器,但是,有些時候為了分析程式的BUG,(主要針對長時間運作程式的分析),在程式出錯時列印出函數的調用堆棧是非常有用的。

在glibc頭檔案"execinfo.h"中聲明了三個函數用于擷取目前線程的函數調用堆棧。

[cpp] view plaincopy

1. int backtrace(void **buffer,int size)  

[cpp] view plain copy

1. <span style="font-size:12px;">int backtrace(void **buffer,int size)</span>  

該函數用于擷取目前線程的調用堆棧,擷取的資訊将會被存放在buffer中,它是一個指針清單。參數 size 用來指定buffer中可以儲存多少個void* 元素。函數傳回值是實際擷取的指針個數,最大不超過size大小

在buffer中的指針實際是從堆棧中擷取的傳回位址,每一個堆棧架構有一個傳回位址

注意:某些編譯器的優化選項對擷取正确的調用堆棧有幹擾,另外内聯函數沒有堆棧架構;删除架構指針也會導緻無法正确解析堆棧内容

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

1. <span style="font-size:12px;">char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size)</span>  

backtrace_symbols将從backtrace函數擷取的資訊轉化為一個字元串數組. 參數buffer應該是從backtrace函數擷取的指針數組,size是該數組中的元素個數(backtrace的傳回值)   

函數傳回值是一個指向字元串數組的指針,它的大小同buffer相同.每個字元串包含了一個相對于buffer中對應元素的可列印資訊.它包括函數名，函數的偏移位址,和實際的傳回位址

現在,隻有使用ELF二進制格式的程式才能擷取函數名稱和偏移位址.在其他系統,隻有16進制的傳回位址能被擷取.另外,你可能需要傳遞相應的符号給連結器,以能支援函數名功能(比如,在使用GNU ld連結器的系統中,你需要傳遞(-rdynamic)， -rdynamic可用來通知連結器将所有符号添加到動态符号表中，如果你的連結器支援-rdynamic的話，建議将其加上！)

該函數的傳回值是通過malloc函數申請的空間,是以調用者必須使用free函數來釋放指針.

注意:如果不能為字元串擷取足夠的空間函數的傳回值将會為NULL

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

1. <span style="font-size:12px;">void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd)</span>  

backtrace_symbols_fd與backtrace_symbols 函數具有相同的功能,不同的是它不會給調用者傳回字元串數組,而是将結果寫入檔案描述符為fd的檔案中,每個函數對應一行.它不需要調用malloc函數,是以适用于有可能調用該函數會失敗的情況

下面是glibc中的執行個體（稍有修改）：

1. #include <execinfo.h>   
2. #include <stdio.h>   
3. #include <stdlib.h>   
4. /* Obtain a backtrace and print it to @code{stdout}. */  
5. void print_trace (void)  
6. {  
7.     void *array[10];  
8.     size_t size;  
9.     char **strings;  
10. 　   size_t i;  
11. 　  
12.     size = backtrace (array, 10);  
13.     strings = backtrace_symbols (array, size);  
14.     if (NULL == strings)  
15.     {  
16. 　       perror("backtrace_synbols");  
17.         Exit(EXIT_FAILURE);  
18.     }  
19.     printf ("Obtained %zd stack frames.\n", size);  
20.     for (i = 0; i < size; i++)  
21.         printf ("%s\n", strings[i]);  
22.     free (strings);  
23. 　   strings = NULL;  
24. }  
25. /* A dummy function to make the backtrace more interesting. */  
26. void dummy_function (void)  
28.     print_trace ();  
30. int main (int argc, char *argv[])  
32.     dummy_function ();  
33.     return 0;  

1. <span style="font-size:12px;">#include <execinfo.h>  
2. #include <stdio.h>  
3. #include <stdlib.h>  
34. }</span>  

輸出如下：

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]  

1. <span style="font-size:12px;">Obtained 4 stack frames.  
6. </span>  

我們還可以利用這backtrace來定位段錯誤位置。

通常情況系，程式發生段錯誤時系統會發送SIGSEGV信号給程式，預設處理是退出函數。我們可以使用 signal(SIGSEGV, &your_function);函數來接管SIGSEGV信号的處理，程式在發生段錯誤後，自動調用我們準備好的函數，進而在那個函數裡來擷取目前函數調用棧。

舉例如下：

3. #include <stddef.h>   
5. #include <signal.h>   
6. void dump(int signo)  
8.     void *buffer[30] = {0};  
10.     char **strings = NULL;  
11.     size_t i = 0;  
12.     size = backtrace(buffer, 30);  
13.     fprintf(stdout, "Obtained %zd stack frames.nm\n", size);  
14.     strings = backtrace_symbols(buffer, size);  
15.     if (strings == NULL)  
17.         perror("backtrace_symbols.");  
18.         exit(EXIT_FAILURE);  
22.         fprintf(stdout, "%s\n", strings[i]);  
24.     free(strings);  
25.     strings = NULL;  
26.     exit(0);  
28. void func_c()  
30.     *((volatile char *)0x0) = 0x9999;  
32. void func_b()  
34.     func_c();  
36. void func_a()  
38.     func_b();  
40. int main(int argc, const char *argv[])  
42.     if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)  
43.         perror("can't catch SIGSEGV");  
44.     func_a();  

1. <span style="font-size:12px;">#include <stdio.h>  
3. #include <stddef.h>  
4. #include <execinfo.h>  
5. #include <signal.h>  

編譯程式：

gcc -g -rdynamic test.c -o test; ./test

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]  

1. <span style="font-size:12px;">Obtained6stackframes.nm  
7. /lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3)[0x129113]</span>  

 （這裡有個疑問： 多次運作的結果是/lib/i368-linux-gnu/libc.so.6和[0x468400]的傳回位址是變化的，但不變的是後三位， 不知道為什麼）

接着：

objdump -d test > test.s

在test.s中搜尋804888c如下：

1. 8048884 <func_b>:  
2. 8048884:    55              push %ebp  
3. 8048885:    89 e5            mov %esp, %ebp  
4. 8048887:    e8 eb ff ff ff       call 8048877 <func_c>  
5. 804888c:    5d                pop %ebp  
6. 804888d:    c3                ret  

1. <span style="font-size:12px;">8048884 <func_b>:  
6. 804888d:    c3                ret</span>  

其中80488c時調用（call 8048877）C函數後的位址，雖然并沒有直接定位到C函數，通過彙編代碼， 基本可以推出是C函數出問題了（pop指令不會導緻段錯誤的）。

我們也可以通過addr2line來檢視

1. addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f  

1. <span style="font-size:12px;">addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f</span>  

輸出：

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

1. <span style="font-size:12px;">func_b  

以下是簡單的backtrace原理實作：

3. #include <string.h>   
4. #define LEN 4   
5. #define FILENAME "stack"   
6. int backtrace(void **buffer, int size)  
8.     int i = 0;  
9.     unsigned long int reg_eip = 0;  
10.     unsigned long int reg_ebp = 0;  
11.     char cmd[size][64];  
12.     memset(cmd, 0, size * 64);  
13.     __asm__ volatile (  
14.         /* get current EBP */  
15.         "movl %%ebp, %0 \n\t"  
16.         :"=r"(reg_ebp)  /* output register */  
17.         :       /* input  register */  
18.         :"memory"   /* cloberred register */  
19.     );    
22.         reg_eip = *(unsigned long int *)(reg_ebp + 4);  
23.         reg_ebp = *(unsigned long int *)(reg_ebp);  
24.         buffer[i] = (void *)reg_eip;  
25.         fprintf(stderr, "%p -> ", buffer[i]);  
26.         sprintf(cmd[i], "addr2line %p -e ", buffer[i]);  
27.         strncat(cmd[i], FILENAME" -f", strlen(FILENAME)+3);  
28.         system(cmd[i]);  
29.         puts("");         
31.     return size;  
33. static void test2(void)  
36.     void *buffer[LEN] = {0};  
37.     backtrace(buffer, LEN);  
38.     return;  
40. static void test1(void)  
42.     test2();  
44. static void test(void)  
46.     test1();  
50.     test();