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嵌入式 linux下利用backtrace追蹤函數調用堆棧以及定位段錯誤

2015-05-27 14:19 184人閱讀 評論(0) 收藏 舉報  分類：   嵌入式（928） 

一般察看函數運行時堆棧的方法是使用GDB（bt命令）之類的外部調試器,但是,有些時候為了分析程序的BUG,(主要針對長時間運行程序的分析),在程序出錯時打印出函數的調用堆棧是非常有用的。

在glibc頭文件"execinfo.h"中聲明了三個函數用于獲取當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>  

該函數用于獲取當前線程的調用堆棧,獲取的信息將會被存放在buffer中,它是一個指針列表。參數 size 用來指定buffer中可以保存多少個void* 元素。函數返回值是實際獲取的指針個數,最大不超過size大小

在buffer中的指針實際是從堆棧中獲取的返回地址,每一個堆棧框架有一個返回地址

注意:某些編譯器的優化選項對獲取正確的調用堆棧有干擾,另外內聯函數沒有堆棧框架;刪除框架指針也會導致無法正確解析堆棧內容

 

[cpp] view plaincopy  

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

[cpp] view plain copy    

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

backtrace_symbols將從backtrace函數獲取的信息轉化為一個字符串數組. 參數buffer應該是從backtrace函數獲取的指針數組,size是該數組中的元素個數(backtrace的返回值)   
   
函數返回值是一個指向字符串數組的指針,它的大小同buffer相同.每個字符串包含了一個相對于buffer中對應元素的可打印信息.它包括函數名，函數的偏移地址,和實際的返回地址

現在,只有使用ELF二進制格式的程序才能獲取函數名稱和偏移地址.在其他系統,只有16進制的返回地址能被獲取.另外,你可能需要傳遞相應的符號給鏈接器,以能支持函數名功能(比如,在使用GNU ld鏈接器的系統中,你需要傳遞(-rdynamic)， -rdynamic可用來通知鏈接器將所有符號添加到動態符號表中，如果你的鏈接器支持-rdynamic的話，建議將其加上！)

該函數的返回值是通過malloc函數申請的空間,因此調用者必須使用free函數來釋放指針.

注意:如果不能為字符串獲取足夠的空間函數的返回值將會為NULL

 

[cpp] view plaincopy  

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

[cpp] view plain copy    

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返回字符串數組,而是將結果寫入文件描述符為fd的文件中,每個函數對應一行.它不需要調用malloc函數,因此適用于有可能調用該函數會失敗的情況

 

下面是glibc中的實例（稍有修改）：

[cpp] view plaincopy  

1. #include <execinfo.h>   
2. #include <stdio.h>   
3. #include <stdlib.h>   
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.\n", size);  
22.   
23.     for (i = 0; i < size; i++)  
24.         printf ("%s\n", 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. }  

[cpp] view plain copy    

1. <span style="font-size:12px;">#include <execinfo.h>  
2. #include <stdio.h>  
3. #include <stdlib.h>  
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.\n", size);  
22.   
23.     for (i = 0; i < size; i++)  
24.         printf ("%s\n", 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. }</span>  

輸出如下：

[cpp] view plaincopy  

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]  

[cpp] view plain copy    

1. <span style="font-size:12px;">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]  
6. </span>  

 

我們還可以利用這backtrace來定位段錯誤位置。

通常情況系，程序發生段錯誤時系統會發送SIGSEGV信號給程序，缺省處理是退出函數。我們可以使用 signal(SIGSEGV, &your_function);函數來接管SIGSEGV信號的處理，程序在發生段錯誤后，自動調用我們準備好的函數，從而在那個函數里來獲取當前函數調用棧。

舉例如下：

[cpp] view plaincopy  

1. #include <stdio.h>   
2. #include <stdlib.h>   
3. #include <stddef.h>   
4. #include <execinfo.h>   
5. #include <signal.h>   
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\n", 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\n", 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. }  

[cpp] view plain copy    

1. <span style="font-size:12px;">#include <stdio.h>  
2. #include <stdlib.h>  
3. #include <stddef.h>  
4. #include <execinfo.h>  
5. #include <signal.h>  
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\n", 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\n", 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. }</span>  

 

編譯程序：

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

輸出如下：

[cpp] view plaincopy  

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]  

[cpp] view plain copy    

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

 （這里有個疑問： 多次運行的結果是/lib/i368-linux-gnu/libc.so.6和[0x468400]的返回地址是變化的，但不變的是后三位， 不知道為什么）

接著：

objdump -d test > test.s

在test.s中搜索804888c如下：

 

[cpp] view plaincopy  

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  

[cpp] view plain copy    

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

其中80488c時調用（call 8048877）C函數后的地址，雖然并沒有直接定位到C函數，通過匯編代碼， 基本可以推出是C函數出問題了（pop指令不會導致段錯誤的）。

我們也可以通過addr2line來查看

[cpp] view plaincopy  

1. addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f  

[cpp] view plain copy    

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

輸出：

[cpp] view plaincopy  

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

[cpp] view plain copy    

1. <span style="font-size:12px;">func_b  
2. /home/astrol/c/backstrace_debug.c:57  
3. </span>  

 

以下是簡單的backtrace原理實現：

 

[cpp] view plaincopy  

1. #include <stdio.h>   
2. #include <stdlib.h>   
3. #include <string.h>   
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 \n\t"  
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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