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。
int backtrace(void **buffer,int size)
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
char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size)
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
void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd)
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）：
#include
#include
#include
/* Obtain a backtrace and print it to @code{stdout}. */
void print_trace (void)
{
void *array[10];
size_t size;
char **strings;
size_t i;
size = backtrace (array, 10);
strings = backtrace_symbols (array, size);
if (NULL == strings)
{
perror("backtrace_synbols");
Exit(EXIT_FAILURE);
}
printf ("Obtained %zd stack frames.\n", size);
for (i = 0; i < size; i++)
printf ("%s\n", strings[i]);
free (strings);
strings = NULL;
}
/* A dummy function to make the backtrace more interesting. */
void dummy_function (void)
{
print_trace ();
}
int main (int argc, char *argv[])
{
dummy_function ();
return 0;
}
输出如下：
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：
#include
#include
#include
#include
#include
void dump(int signo)
{
void *buffer[30] = {0};
size_t size;
char **strings = NULL;
size_t i = 0;
size = backtrace(buffer, 30);
fprintf(stdout, "Obtained %zd stack frames.nm\n", size);
strings = backtrace_symbols(buffer, size);
if (strings == NULL)
{
perror("backtrace_symbols.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
for (i = 0; i < size; i++)
{
fprintf(stdout, "%s\n", strings[i]);
}
free(strings);
strings = NULL;
exit(0);
}
void func_c()
{
*((volatile char *)0x0) = 0x9999;
}
void func_b()
{
func_c();
}
void func_a()
{
func_b();
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)
perror("can't catch SIGSEGV");
func_a();
return 0;
}
编译程序：
gcc -g -rdynamic test.c -o test; ./test
输出如下：
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]
接着：
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
addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f
输出：
func_b
/home/astrol/c/backstrace_debug.c:57
************************************http://www.linuxidc.com/Linux/2012-11/73470p2.htm
-
一．用途：
主要用于程序异常退出时寻找错误原因
二．功能：
回溯堆栈，简单的说就是可以列出当前函数调用关系
三．原理：
1． 通过对当前堆栈的分析，找到其上层函数在栈中的帧地址，再分析上层函数的堆栈，再找再上层的帧地址……一直找到最顶层为止，帧地址指的是一块：在栈上存放局部变量，上层返回地址，及寄存器值的空间。
2． 由于不同处理器堆栈方式不同，此功能的具体实现是编译器的内建函数__buildin_frame_address及__buildin_return_address中，它涉及工具glibc和gcc, 如果编译器不支持此函数，也可自己实现此函数，举例中有arm上的实现
四．方法：
在程序中加入backtrace及相关函数调用
五．举例：
1． 一般backtrace的实现
i. 程序
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PRINT_DEBUG
static void print_reason(int sig, siginfo_t * info, void *secret)
{
void *array[10];
size_t size;
#ifdef PRINT_DEBUG
char **strings;
size_t i;
size = backtrace(array, 10);
strings = backtrace_symbols(array, size);
printf("Obtained %zd stack frames.\n", size);
for (i = 0; i < size; i++)
printf("%s\n", strings[i]);
free(strings);
#else
int fd = open("err.log", O_CREAT | O_WRONLY);
size = backtrace(array, 10);
backtrace_symbols_fd(array, size, fd);
close(fd);
#endif
exit(0);
}
void die()
{
char *test1;
char *test2;
char *test3;
char *test4 = NULL;
strcpy(test4, "ab");
}
void test1()
{
die();
}
int main(int argc, char **argv)
{
struct sigaction myAction;
myAction.sa_sigaction = print_reason;
sigemptyset(&myAction.sa_mask);
myAction.sa_flags = SA_RESTART | SA_SIGINFO;
sigaction(SIGSEGV, &myAction, NULL);
sigaction(SIGUSR1, &myAction, NULL);
sigaction(SIGFPE, &myAction, NULL);
sigaction(SIGILL, &myAction, NULL);
sigaction(SIGBUS, &myAction, NULL);
sigaction(SIGABRT, &myAction, NULL);
sigaction(SIGSYS, &myAction, NULL);
test1();
}
ii. 编译参数
gcc main.c -o test -g -rdynamic
2． 根据不同的处理器自已实现backtrace
i. arm的backtrace函数实现
static int backtrace_xy(void **BUFFER, int SIZE)
{
volatile int n = 0;
volatile int *p;
volatile int *q;
volatile int ebp1;
volatile int eip1;
volatile int i = 0;
p = &n;
ebp1 = p[4];
eip1 = p[6];
fprintf(stderr, "======================= backtrace_xy addr: 0x%0x, param1: 0x%0x, param2: 0x%0x\n",
backtrace_xy, &BUFFER, &SIZE);
fprintf(stderr, "n addr is 0x%0x\n", &n);
fprintf(stderr, "p addr is 0x%0x\n", &p);
for (i = 0; i < SIZE; i++)
{
fprintf(stderr, "ebp1 is 0x%0x, eip1 is 0x%0x\n", ebp1, eip1);
BUFFER[i] = (void *)eip1;
p = (int*)ebp1;
q = p - 5;
eip1 = q[5];
ebp1 = q[2];
if (ebp1 == 0 || eip1 == 0)
break;
}
fprintf(stderr, "total level: %d\n", i);
return i;
}
六．举例2：
/*main.c*/
#include "sigsegv.h"
#include <string.h>
int die() {
char *err = NULL;
strcpy(err, "gonner");
return 0;
}
int main() {
return die();
}
/*sigsegv.c*/
#define _GNU_SOURCE
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define NO_CPP_DEMANGLE
#ifndef NO_CPP_DEMANGLE
#include
#endif
#if defined(REG_RIP)
# define SIGSEGV_STACK_IA64
# define REGFORMAT "%016lx"
#elif defined(REG_EIP)
# define SIGSEGV_STACK_X86
# define REGFORMAT "%08x"
#else
# define SIGSEGV_STACK_GENERIC
# define REGFORMAT "%x"
#endif
static void signal_segv(int signum, siginfo_t* info, void*ptr) {
static const char *si_codes[3] = {"", "SEGV_MAPERR", "SEGV_ACCERR"};
size_t i;
ucontext_t *ucontext = (ucontext_t*)ptr;
#if defined(SIGSEGV_STACK_X86) || defined(SIGSEGV_STACK_IA64)
int f = 0;
Dl_info dlinfo;
void **bp = 0;
void *ip = 0;
#else
void *bt[20];
char **strings;
size_t sz;
#endif
fprintf(stderr, "Segmentation Fault!\n");
fprintf(stderr, "info->si_signo = %d\n", signum);
fprintf(stderr, "info->si_errno = %d\n", info->si_errno);
// fprintf(stderr, "info->si_code = %d (%s)\n", info->si_code, info->si_codes[si_code]);
fprintf(stderr, "info->si_addr = %p\n", info->si_addr);
for(i = 0; i < NGREG; i++)
fprintf(stderr, "reg[%02d] = 0x" REGFORMAT "\n", i, ucontext->uc_mcontext.gregs[i]);
#if defined(SIGSEGV_STACK_X86) || defined(SIGSEGV_STACK_IA64)
# if defined(SIGSEGV_STACK_IA64)
ip = (void*)ucontext->uc_mcontext.gregs[REG_RIP];
bp = (void**)ucontext->uc_mcontext.gregs[REG_RBP];
# elif defined(SIGSEGV_STACK_X86)
ip = (void*)ucontext->uc_mcontext.gregs[REG_EIP];
bp = (void**)ucontext->uc_mcontext.gregs[REG_EBP];
# endif
fprintf(stderr, "Stack trace:\n");
while(bp != & ip) {
if(!dladdr(ip, &dlinfo))
break;
const char *symname = dlinfo.dli_sname;
#ifndef NO_CPP_DEMANGLE
int status;
char *tmp = __cxa_demangle(symname, NULL, 0, &status);
if(status == 0 !=& tmp)
symname = tmp;
#endif
fprintf(stderr, "% 2d: %p < %s+%u> (%s)\n",
++f,
ip,
symname,
(unsigned)(ip - dlinfo.dli_saddr),
dlinfo.dli_fname);
#ifndef NO_CPP_DEMANGLE
if(tmp)
free(tmp);
#endif
if(dlinfo.dli_sname != !strcmp(dlinfo.dli_sname, "main"))
break;
ip = bp[1];
bp = (void**)bp[0];
}
#else
fprintf(stderr, "Stack trace (non-dedicated):\n");
sz = backtrace(bt, 20);
strings = backtrace_symbols(bt, sz);
for(i = 0; i < sz; ++i)
fprintf(stderr, "%s\n", strings[i]);
#endif
fprintf(stderr, "End of stack trace\n");
exit (-1);
}
int setup_sigsegv() {
struct sigaction action;
memset(&action, 0, sizeof(action));
action.sa_sigaction = signal_segv;
action.sa_flags = SA_SIGINFO;
if(sigaction(SIGSEGV, &action, NULL) < 0) {
perror("sigaction");
return 0;
}
return 1;
}
#ifndef SIGSEGV_NO_AUTO_INIT
static void __attribute((constructor)) init(void)
{
setup_sigsegv();
}
#endif
/*sigsegv.h*/
#ifndef __sigsegv_h__
#define __sigsegv_h__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
int setup_sigsegv();
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* __sigsegv_h__ */
编译时需要加入-rdynamic -ldl –ggdb
void
handle_signal_error(int rec_signal,siginfo_t* signal_info,void* context)
{
NE_Info* __attribute__ ((unused)) ne_info = NULL;
struct sigaction action;
FILE* file;
void* backtr[NUMBER_OF_BACKTRACE];
cpal_uns32 __attribute__ ((unused)) i = 0;
cpal_uns32 backtr_size = 0;
ucontext_t *u_context;
time_t seconds_time;
struct tm* time_struct;
cpal_si32 ret_t;
char filename[SIZE_OF_FILENAME];if(g_handler_running)
return;g_handler_running = CPAL_TRUE;
ret_t = time(&seconds_time);if(ret_t != - 1)
{
time_struct = gmtime(&seconds_time);snprintf(filename,SIZE_OF_FILENAME,"%s%d%d%d-%d%d%d-%s",BACKTRACE_FILE_PATH,time_struct->tm_mon,time_struct->tm_mday,
(time_struct->tm_year-100)+2000,time_struct->tm_hour,time_struct->tm_min,time_struct->tm_sec,BACKTRACE_FILE);
}
else
{
snprintf(filename,SIZE_OF_FILENAME,"%s",BACKTRACE_FILE);
}
file = fopen(filename,"w");
if(file == NULL)
{
return;
}
if(signal_info == NULL)
{
return;
}if(context == NULL)
{
return;
}u_context = (ucontext_t*)context;
/*Restore the default action for this signal and re-raise it, so that the default action occurs. */
action.sa_sigaction = SIG_DFL;
sigemptyset(&action.sa_mask);
action.sa_flags = SA_RESTART;sigaction(rec_signal,&action,NULL);
/* Print out the backtrace. */
backtr_size = backtrace(backtr,20);
/* The backtrace points to sigaction in libc, not to where the signal was actually raised.
This overwrites the sigaction with where the signal was sent, so we can resolve the sender. */
#if __WORDSIZE == 64
backtr[1] = (void*)u_context->uc_mcontext.gregs[REG_RIP];
#else
backtr[1] = (void*)u_context->uc_mcontext.gregs[REG_EIP];
#endif //__WORDSIZE
backtrace_symbols_fd(backtr,backtr_size,fileno(file));fprintf(file,"Backtrace is above.\nFatal signal %d received.\n",rec_signal);
#if __WORDSIZE == 64
fprintf(file,"Signal received at address %p from 0x%08x.\n",signal_info->si_addr,
u_context->uc_mcontext.gregs[REG_RIP]);
#else
fprintf(file,"Signal received at address %p from 0x%08x.\n",signal_info->si_addr,
u_context->uc_mcontext.gregs[REG_EIP]);
#endif //__WORDSIZE
#if CPAL_LM_DEBUG
/* Print all NE_Infos */
for(; i < MAX_NO_OF_CONNS; i++)
{
ne_info = g_ne_hash_tab[i];
while(ne_info != NULL)
{
ne_info = ne_info->next_ne;
}
}
#endiffflush(file);
fclose(file);
sleep (50); /* Sleep for 50 seconds */
g_handler_running = *_FALSE;
raise(rec_signal);
}