栈调用关系跟踪

zhang-guojun

745人浏览 · 2016-02-02 10:43:24

zhang-guojun · 2016-02-02 10:43:24 发布

在发生段错误的时候，打印函数的调用栈信息是定位问题很好的手段，一般来讲，我们可以捕获SIGSEGV信号，在信号处理函数中将函数调用栈的关系打印出来。gdb调试中的backtrace，简称bt就是这个作用。

    CU的二娃子前两天写了个 Linux下进程崩溃时定位源代码位置，这篇文章写的很好，调用的GNU的backtrace函数，打印了函数的调用栈信息。我想补充一些内容，把这个话题补充的更加丰富一些。

    我们遇到的很多难题，前辈都会遇到，很多有分享精神的前辈会写很多精彩的总结。国外布法罗大学的一个牛人总结了跟踪栈调用关系的文章，写了一篇博客。英文水平高的筒子，不要听我JJYY，直接跳转到http://www.acsu.buffalo.edu/~charngda/backtrace.html，去看这篇博文，当然本文提到的第二种方法还是值得一看的。作者提到了4种方法来解决栈调用关系其中二娃子用的是第二种方法。我阅读了self-service linux这本书，这本书也很详尽的描述了栈的结构。我们补充一种方法，自己实现backtrace。

    我的栈调用关系如下：

int foo()
{
do_backtrace();
}
int bar( void )
{
foo();
return 0;
}
int boo( void )
{
bar();
return 0;
}
int baz( void )
{
boo();
return 0;
}
int main( void )
{
baz();
return 0;
}

第一种方法： glibc提供的backtrace函数

先说二娃子的方法: GNU提供的backtrace函数

```
#include <execinfo.h>
```
void do_gnu_backtrace()
{
#define BACKTRACE_SIZ 100
void *array[BACKTRACE_SIZ];
size_t size, i;
char **strings;
size = backtrace(array, BACKTRACE_SIZ);
strings = backtrace_symbols(array, size);
for (i = 0; i < size; ++i) {
printf("%p : %s\n", array[i], strings[i]);
}
printf("---------------------------------------------------------\n");
free(strings);
}

编译的时候，我们需要加上 -rdynamic 选项，否则的话，符号表信息打印不出来。

0x8048ae4 : ./bt_walk(do_gnu_backtrace+0x1f) [0x8048ae4]
0x8048c4f : ./bt_walk(foo+0x15) [0x8048c4f]
0x8048c66 : ./bt_walk(bar+0xb) [0x8048c66]
0x8048c78 : ./bt_walk(boo+0xb) [0x8048c78]
0x8048c8a : ./bt_walk(baz+0xb) [0x8048c8a]
0x8048c9c : ./bt_walk(main+0xb) [0x8048c9c]
0xb758e4d3 : /lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3) [0xb758e4d3]
0x8048901 : ./bt_walk() [0x8048901]

这种方法好是好，不过，需要加上-rdynamic选项。否则会出现如下打印：

0x8048894 : ./bt_walk() [0x8048894]
0x80489ff : ./bt_walk() [0x80489ff]
0x8048a16 : ./bt_walk() [0x8048a16]
0x8048a28 : ./bt_walk() [0x8048a28]
0x8048a3a : ./bt_walk() [0x8048a3a]
0x8048a4c : ./bt_walk() [0x8048a4c]
0xb75144d3 : /lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3) [0xb75144d3]
0x80486b1 : ./bt_walk() [0x80486b1]

第二种方法，自己动手丰衣足食的方法。
下面的图来自雨夜听声的博客，函数调用如下图所示。如果有N个参数，将N个参数压栈（顺序也很有意思，希望了解这个的可以看程序员的自我修养），然后是将返回地址压栈，最后是将ebp压栈保存起来。

如果我们只传递一个参数个某个函数，那么我们完全可以根据参数的地址推算出ebp存放的地址，进而得到ebp的值。参数地址-4（32位系统指针的长度为4Byte）可以得到返回地址的位置。参数的地址-8 得到ebp在栈存放的地址。我们一旦得到ebp，我们就可以回朔出整个栈调用。

先看第一步：getEBP

void **getEBP( int dummy )
{
void **ebp = (void **)&dummy -2 ;
return( *ebp );
}

原理很简单，就是入参的地址下面是返回地址，返回地址的下面是被保存的ebp的地址。

第二步，有了ebp, 我们可以一步一步前回退，得到调用者的栈的ebp，调用者的调用者的栈的ebp，。。。。直到NULL

while( ebp )
{
ret = ebp + 1;
dladdr( *ret, &dlip );
printf("Frame %d: [ebp=0x%08x] [ret=0x%08x] %s\n",
frame++, *ebp, *ret, dlip.dli_sname );
ebp = (void**)(*ebp);
/* get the next frame pointer */
}

对这个过程不太理解的筒子可以看下我下面的实验：

(gdb) i b
Num Type Disp Enb Address What
1 breakpoint keep y 0x0804858a in main at bt_walk.c:49
2 breakpoint keep y 0x08048578 in baz at bt_walk.c:44
3 breakpoint keep y 0x08048566 in boo at bt_walk.c:39
4 breakpoint keep y 0x08048554 in bar at bt_walk.c:34
5 breakpoint keep y 0x08048542 in foo at bt_walk.c:29
6 breakpoint keep y 0x080484ac in print_walk_backtrace at bt_walk.c:12
7 breakpoint keep y 0x0804849a in getEBP at bt_walk.c:6
(gdb) r
Starting program: /home/manu/code/c/self/calltrace/bt_walk
Breakpoint 1, main () at bt_walk.c:49
49 baz();
(gdb) p $ebp
$1 = (void *) 0xbffff6d8
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 2, baz () at bt_walk.c:44
44 boo();
(gdb) p $ebp
$2 = (void *) 0xbffff6c8
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 3, boo () at bt_walk.c:39
39 bar();
(gdb) p $ebp
$3 = (void *) 0xbffff6b8
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 4, bar () at bt_walk.c:34
34 foo();
(gdb) p $ebp
$4 = (void *) 0xbffff6a8
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 5, foo () at bt_walk.c:29
29 print_walk_backtrace();
(gdb) p $ebp
$5 = (void *) 0xbffff698
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 6, print_walk_backtrace () at bt_walk.c:12
12 int frame = 0;
(gdb) p $ebp
$6 = (void *) 0xbffff688
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 7, getEBP (dummy=0x9ca212c) at bt_walk.c:6
6 void **ebp = (void **)&dummy -2 ;
(gdb) p $ebp
$7 = (void *) 0xbffff638
(gdb) n
7 return( ebp );
(gdb) p ebp
$8 = (void **) 0xbffff638
(gdb) x/40x 0xbffff638
0xbffff638: 0xbffff688 0x080484be 0x09ca212c 0xbffff68f
0xbffff648: 0x00000001 0xb7eac269 0xbffff68f 0xbffff68e
0xbffff658: 0x00000000 0xb7ff3fdc 0xbffff714 0x00000000
0xbffff668: 0x00000000 0xb7e47043 0x00000000 0x00000000
0xbffff678: 0x09ca212c 0x00000001 0xb7fb9ff4 0x00000000
0xbffff688: 0xbffff698 0x08048547 0x080485a0 0x08049ff4
0xbffff698: 0xbffff6a8 0x08048559 0xb7fba3e4 0x00008000
0xbffff6a8: 0xbffff6b8 0x0804856b 0xffffffff 0xb7e47196
0xbffff6b8: 0xbffff6c8 0x0804857d 0xb7fed270 0x00000000
0xbffff6c8: 0xbffff6d8 0x0804858f 0x080485a0 0x00000000
(gdb) p &dummy
$9 = (int **) 0xbffff640

光有这个也是不行的，只能拿到栈的信息，和返回地址的信息，拿不到函数名也是白扯。这时候我们可以利用libdl.so,我们用dladdr这个函数可以得到距离入参地址最近的符号表里面的symbol。

#ifdef __USE_GNU
/* Structure containing information about object searched using
‘dladdr’. */
typedef struct
{
__const char *dli_fname; /* File name of defining object. */
void *dli_fbase; /* Load address of that object. */
__const char *dli_sname; /* Name of nearest symbol. */
void *dli_saddr; /* Exact value of nearest symbol. */
} Dl_info;

/* Fill in *INFO with the following information about ADDRESS.
Returns 0 iff no shared object’s segments contain that address. */
extern int dladdr (__const void *__address, Dl_info *__info) __THROW;

把整个函数书写一下：

#include <dlfcn.h>
void **getEBP( int dummy )
{
void **ebp = (void **)&dummy -2 ;
return( *ebp );
}
void print_walk_backtrace( void )
{
int dummy;
int frame = 0;
Dl_info dlip;
void **ebp = getEBP( dummy );
void **ret = NULL;
printf( "Stack backtrace:\n" );
while( ebp )
{
ret = ebp + 1;
dladdr( *ret, &dlip );
printf("Frame %d: [ebp=0x%08x] [ret=0x%08x] %s\n",
frame++, *ebp, *ret, dlip.dli_sname );
ebp = (void**)(*ebp);
/* get the next frame pointer */
}
printf("---------------------------------------------------------\n");
}

注意两点：
1 头文件 dlfcn.h
2 编译的时候加上-rdynamic ，同时链接libdl.so 即加上-ldl选项

执行效果如下：

Stack backtrace:
Frame 0: [ebp=0xbfdbea38] [ret=0x08048c42] foo
Frame 1: [ebp=0xbfdbea48] [ret=0x08048c63] bar
Frame 2: [ebp=0xbfdbea58] [ret=0x08048c75] boo
Frame 3: [ebp=0xbfdbea68] [ret=0x08048c87] baz
Frame 4: [ebp=0xbfdbea78] [ret=0x08048c99] main
Frame 5: [ebp=0x00000000] [ret=0xb75594d3] __libc_start_main

3 第三种是libunwind。

#include <libunwind.h>
void do_unwind_backtrace()
{
    unw_cursor_t    cursor;
    unw_context_t   context;

    unw_getcontext(&context);
    unw_init_local(&cursor, &context);

    while (unw_step(&cursor) > 0) {
        unw_word_t offset, pc;
        char        fname[64];

        unw_get_reg(&cursor, UNW_REG_IP, &pc);

        fname[0] = '\0';
        (void) unw_get_proc_name(&cursor, fname, sizeof(fname), &offset);

        printf ("%p : (%s+0x%x) [%p]\n", pc, fname, offset, pc);
    }
    printf("---------------------------------------------------------\n");
}

编译的时候加上 -lunwind -lunwind-x86 ，如果是X86_64,则是 -lunwind -lunwind-x86_64
优点是不需要-rdynamic选项，不需要-g选项。

执行结果如下：

0x8048a01 : (foo+0x1a) [0x8048a01]
0x8048a13 : (bar+0xb) [0x8048a13]
0x8048a25 : (boo+0xb) [0x8048a25]
0x8048a37 : (baz+0xb) [0x8048a37]
0x8048a49 : (main+0xb) [0x8048a49]
0xb75c14d3 : (__libc_start_main+0xf3) [0xb75c14d3]
0x80486b1 : (_start+0x21) [0x80486b1]
---------------------------------------------------------

参考文献1 提到了改进的backtrace，同时给出了cario的相关代码，很有意思，感兴趣的可以去读一下。

参考文献
1 http://www.acsu.buffalo.edu/~charngda/backtrace.html （强烈推荐）
2 程序员的自我修养
3 CU 二娃子的博客
4 Self-Service Linux chapter 5 ：Stack(推荐)

原文地址http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-3457205.html

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