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

2015-05-27 14:19 184人阅读 评论(0) 收藏 举报

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嵌入式（928） 

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。

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

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)
27. {
28. print_trace ();
29. }
30. int main (int argc, char *argv[])
31. {
32. dummy_function ();
33. return 0;
34. }

1. <span style="font-size:12px;">#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)
27. {
28. print_trace ();
29. }
30. int main (int argc, char *argv[])
31. {
32. dummy_function ();
33. return 0;
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.
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：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <stddef.h>
4. #include <execinfo.h>
5. #include <signal.h>
6. void dump(int signo)
7. {
8. void *buffer[30] = {0};
9. size_t size;
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)
16. {
17. perror("backtrace_symbols.");
18. exit(EXIT_FAILURE);
19. }
20. for (i = 0; i < size; i++)
21. {
22. fprintf(stdout, "%s\n", strings[i]);
23. }
24. free(strings);
25. strings = NULL;
26. exit(0);
27. }
28. void func_c()
29. {
30. *((volatile char *)0x0) = 0x9999;
31. }
32. void func_b()
33. {
34. func_c();
35. }
36. void func_a()
37. {
38. func_b();
39. }
40. int main(int argc, const char *argv[])
41. {
42. if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)
43. perror("can't catch SIGSEGV");
44. func_a();
45. return 0;
46. }

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. void dump(int signo)
7. {
8. void *buffer[30] = {0};
9. size_t size;
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)
16. {
17. perror("backtrace_symbols.");
18. exit(EXIT_FAILURE);
19. }
20. for (i = 0; i < size; i++)
21. {
22. fprintf(stdout, "%s\n", strings[i]);
23. }
24. free(strings);
25. strings = NULL;
26. exit(0);
27. }
28. void func_c()
29. {
30. *((volatile char *)0x0) = 0x9999;
31. }
32. void func_b()
33. {
34. func_c();
35. }
36. void func_a()
37. {
38. func_b();
39. }
40. int main(int argc, const char *argv[])
41. {
42. if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)
43. perror("can't catch SIGSEGV");
44. func_a();
45. return 0;
46. }</span>

编译程序：

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

输出如下：

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
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>

（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>:
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
2. /home/astrol/c/backstrace_debug.c:57
3. </span>

以下是简单的backtrace原理实现：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #define LEN 4
5. #define FILENAME "stack"
6. int backtrace(void **buffer, int size)
7. {
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. );
20. for (i = 0; i < size; i++)
21. {
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("");
30. }
31. return size;
32. }
33. static void test2(void)
34. {
35. int i = 0;
36. void *buffer[LEN] = {0};
37. backtrace(buffer, LEN);
38. return;
39. }
40. static void test1(void)
41. {
42. test2();
43. }
44. static void test(void)
45. {
46. test1();
47. }
48. int main(int argc, const char *argv[])
49. {
50. test();
51. return 0;
52. }