linux C用戶態(tài)調試追蹤函數調用堆棧以及定位段錯誤

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。

int backtrace(void **buffer,int size)

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?？蚣苡幸粋€返回地址

注意:某些編譯器的優(yōu)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

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

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(tǒng),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(tǒng)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(tài)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

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

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）：

1 #include 2 #include 3 #include 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 }

輸出如下：

Obtained 4 stack frames.
./execinfo() [0x80484dd]
./execinfo() [0x8048549]
./execinfo() [0x8048556]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3) [0x70a113]

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(fā)生段錯誤時系統(tǒng)會發(fā)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(fā)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：

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 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 }

編譯程序：
gcc -g -rdynamic test.c -o test; ./test
輸出如下：

Obtained6stackframes.nm
./backstrace_debug(dump+0x45)[0x80487c9]
[0x468400]
./backstrace_debug(func_b+0x8)[0x804888c]
./backstrace_debug(func_a+0x8)[0x8048896]
./backstrace_debug(main+0x33)[0x80488cb]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3)[0x129113]

接著：
objdump -d test > test.s
在test.s中搜索804888c如下：

8048884 :
8048884: 55 push %ebp
8048885: 89 e5 mov %esp, %ebp
8048887: e8 eb ff ff ff call 8048877
804888c: 5d pop %ebp
804888d: c3 ret

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

addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f

輸出：

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

?