C++(Qt)软件调试---linux使用dmesg定位程序崩溃位置（14）

C++(Qt)软件调试—linux使用dmesg定位程序崩溃位置（14）

1、前言

在我们日常开发中，经常会遇见程序崩溃退出的情况，一般在linux下我们可以通过生成core文件来进行调试，定位出现异常位置，但是如果我们忘记了生成core文件或者程序在用户机器上运行没有生成core，就无法通过调试core文件定位异常，这时就可以使用dmesg中的信息帮助调试。

• 不同的系统中dmesg可能存在差异，例如在麒麟系统中我就没有发现在程序崩溃后的dmesg日志；
• 测试系统：ubuntu20.04

2、ELF文件

ELF（Executable and Linkable Format）是一种通用的二进制文件格式，主要用于在Unix和Linux系统中存储可执行程序、共享库、目标文件等。下面是对ELF文件的详细说明：

1. 文件头（File Header）：

   • ELF文件以一个固定大小的文件头开始，包含了文件的基本信息，如文件类型、目标体系结构、入口点地址等。

2. 程序头表（Program Header Table）：

   • 程序头表是一个表格，其中包含了关于ELF文件中各个程序段（段是一种内存分配单位）的描述信息，如段的类型、文件偏移、虚拟内存地址、大小等。

3. 节头表（Section Header Table）：

   • 节头表包含了有关ELF文件中各个节（段内的逻辑分区，例如代码段、数据段）的描述信息，包括名称、类型、大小、偏移等。
     • .init(_init)：init节通常指的是程序的初始化代码段，它是程序执行的起点，init节的入口点是程序的起始地址，也就是操作系统将开始执行的地方。这个入口点通常是可执行文件的文件头中指定的地址。
     • .text（代码节）：这个节包含了程序的机器代码指令，即可执行代码部分。它是可执行文件中最重要的节之一。
     • .data（数据节）：数据节包含程序中的全局和静态变量，以及初始化的全局和静态变量的数据值。这些数据可以在程序的整个生命周期中被访问和修改。
     • .rodata（只读数据节）：这个节包含只读的数据，通常是常量、字符串字面值等。这些数据不能在运行时被修改。
     • .bss（未初始化数据节）：该节包含全局和静态变量的未初始化数据，也就是说，它们在程序加载时不会被初始化，而是在运行时初始化为零或空值。
     • .plt（Procedure Linkage Table）：用于延迟绑定动态链接的节，主要用于共享库。
     • .got（Global Offset Table）：全局偏移表包含了用于动态链接的全局变量和函数的地址。
     • .debug（调试信息节）：包含了调试信息，如符号表、源代码映射等，有助于调试和分析程序。
     • .textrel（重定位节）：包含了代码中需要进行动态重定位的信息，用于处理位置无关代码。
     • .comment（注释节）：包含了关于程序的注释信息，通常不会影响程序的执行。
     • .strtab（字符串表节）：包含了节名、符号名等字符串的表格，用于字符串的索引和查找。

4. 段数据（Section Data）：

   • ELF文件包含了各种段，其中包括代码段、数据段、只读段、只写段等，这些段包含了程序的实际数据和指令。

5. 符号表（Symbol Table）：

   • 符号表存储了程序中定义和引用的符号（如函数和变量）的信息，包括符号名称、地址、大小等。它在调试和链接过程中非常有用。

6. 重定位表（Relocation Table）：

   • 重定位表包含了需要在链接时进行地址修正的信息，以确保程序正确地在内存中加载和执行。

7. 动态链接信息（Dynamic Linking Information）：

   • 如果ELF文件支持动态链接（共享库），则包含了动态链接信息，包括共享库的名称和相关信息。

8. 字符串表（String Table）：

   • 字符串表存储了各种字符串，如符号名称、段名称等，这些字符串可以通过索引在ELF文件中引用。

9. 版本信息（Version Information）：

   • 如果文件支持版本控制，包含了与版本相关的信息，以便在动态链接时选择正确的共享库版本。

10. 其他信息：

    • ELF文件还可以包含其他特定于目标体系结构和应用程序的信息，如程序入口点、对齐要求、文件权限等。

3、常用工具

• file：查看文件基本信息。
• ldd：查看一个可执行文件或共享库文件所依赖的动态链接库。
• nm：用于查看二进制可执行文件或共享库中符号信息的工具。
• strings ：用于从二进制文件中提取可打印的字符序列，通常用于查找文件中的文本。
• strip：用于去除可执行文件中的符号表信息的 Linux 命令。
• readelf：显示有关ELF文件的信息。
• objdump：用于查看和分析可执行文件、目标文件和共享库的工具，通常与GNU Binutils一起提供。它能够提供有关这些文件的详细信息，包括程序代码、数据段、符号表、重定位表等等。
• netstat：用于显示网络连接、路由表、接口统计、Masquerade 连接等网络相关信息的命令行工具。
• ps：用于显示当前系统的进程信息。
• top/htop：用于监视系统进程的命令行工具，通常在Unix和类Unix系统中使用。它提供了关于系统中运行的进程的实时信息，包括CPU使用率、内存使用率、进程列表以及其他系统性能相关的信息。
• dmesg：用于查看和分析Linux操作系统内核消息的命令。它提供了有关系统启动、硬件检测、设备驱动程序加载和内核错误等信息的详细报告。
• addr2line：将地址转换为文件名和行号。
• tcpdump：一个强大的网络抓包工具，用于捕获和分析网络数据包。

4、使用dmesg定位异常位置

• 测试程序：C++、Qt

  #include "widget.h"
  #include "ui_widget.h"
  
  Widget::Widget(QWidget *parent)
      : QWidget(parent)
      , ui(new Ui::Widget)
  {
      ui->setupUi(this);
  }
  
  Widget::~Widget()
  {
      delete ui;
  }
  
  
  void Widget::on_pushButton_clicked()
  {
      QWidget* w = nullptr;
  //    w->show();                      // 异常发生在动态库中
      int* a = nullptr;
      *a = 10;                          // 异常发生在可执行程序中
  
  
  }
  

1.1 异常发生在可执行程序中

• 执行程序并出现崩溃；

• 使用dmesg命令查看程序异常日志（有时需要使用sudo dmesg）；

  [44741.877559] untitled4[14899]: segfault at 0 ip 00005598c5d3b8e4 sp 00007ffd7505a2b8 error 6 in untitled4[5598c5d3b000+1000]
  [44741.877582] Code: ff ff ff 48 89 ef be 38 00 00 00 5d e9 c5 f9 ff ff 0f 1f 44 00 00 f3 0f 1e fa 48 83 ef 10 eb d6 66 0f 1f 44 00 00 f3 0f 1e fa <c7> 04 25 00 00 00 00 00 00 00 00 0f 0b 66 2e 0f 1f 84 00 00 00 00
  

  • untitled4[14899]：出现异常的程序和进程号；
  • segfault at [地址]: segfault发生的内存地址。
  • ip [指令指针地址]: 引起segfault的指令指针在虚拟内存中的地址。
  • sp [栈指针地址]: 引起segfault的栈指针的地址。
  • error [错误代码]: segfault的错误代码，通常以非零值表示错误。
  • in [发生异常的文件] [文件加载进内存首地址+偏移量]: 引起segfault的二进制文件的路径和函数名称。

• 这里会用到两类地址；

  1. 内存地址： 内存地址是指计算机内存中的物理地址或虚拟地址，用于在运行时定位程序的指令、数据和堆栈等内容。内存地址是动态的，会随着程序的执行而变化，特别是在使用虚拟内存的系统中，操作系统会将内存地址映射到物理内存或磁盘上。内存地址是程序在运行时实际使用的地址，它们与物理内存或虚拟内存中的存储位置相对应。dmesg中记录的就是程序崩溃时指令指针在内存中的地址；
  2. 可执行文件中的地址： 可执行文件中的地址是编译后的程序的内部地址空间，通常用于编译器和链接器在构建可执行文件时确定代码、数据和符号的相对位置。这些地址在编译时和链接时分配，并在可执行文件中保存。它们通常是相对地址，用于在可执行文件内部定位数据和指令。可执行文件中的地址是静态的，不会随程序的执行而改变。

• 所以要使用dmesg的地址定位异常位置就需要将内存地址转换为可执行文件中的地址；

• 由于init节的入口点是程序的起始地址，所以文件中的地址 = 指令指针地址 - 文件加载进内存首地址 + init节地址；

  • 可通过nm命令或者 objdump -p命令查看init节地址 ；

    

  • 00005598c5d3b8e4 - 5598c5d3b000 + 3000 = 38E4

  • 使用addr2line -e 可执行程序 地址 -Cfi就可如下图所示得到出现异常的函数和所在文件、在文件中的行号。

    

  • 注意：如果是使用Release模式编译的不包含调试符号则只能看到出现异常的函数，不能具体到文件和行号。

    

1.2 异常发生在动态库中

• 当异常出现在动态库中是dmesg日志信息如下所示；

  [47072.125853] untitled4[15938]: segfault at 28 ip 00007f885dca8f7e sp 00007ffe035bc640 error 4 in libQt5Widgets.so.5.12.5[7f885db0e000+61d000]
  [47072.125882] Code: 48 89 df be 01 00 00 00 5b 48 8b 40 68 ff e0 90 66 90 66 2e 0f 1f 84 00 00 00 00 00 48 8b 05 b1 ec 6a 00 53 48 89 fb 48 8b 38 <48> 8b 43 28 8b 70 0c 48 8b 07 ff 90 a8 00 00 00 83 f8 04 74 2d 83
  

• 由于可执行程序和动态库的堆栈是相互独立的，并不是在同一个堆栈，所以当异常出现在动态库中时dmesg日志信息中的地址是动态库在内存中的地址；

• 所以文件中的地址 = 指令指针地址 - 文件加载进内存首地址；

• 00007f885dca8f7e - 7f885db0e000 = 19AF7E

• 使用ldd查看动态库路径；

  

• 使用addr2line -e 动态库 地址 -Cfi就可如下图所示得到出现异常的函数和所在文件、在文件中的行号。

  

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