嵌入式 linux下利用backtrace追踪函数调用堆栈以及定位段错误

嵌入式 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。

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

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

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

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

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）：

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>  

输出如下：

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：

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>  

编译程序：

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>  

 （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：

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

1. addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f  

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

输出：

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

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

以下是简单的backtrace原理实现：

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();