每天进步一点点——Linux系统中的异常堆栈跟踪简单实现

转载请说明出处：http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/25002201

   

       在Linux中做C/C++开发经常会遇到一些不可预知的问题导致程序崩溃，同时崩溃后也没留下任何代码运行痕迹，因此，堆栈跟踪技术就显得非要重要了。本文将简单介绍Linux中C/C++程序运行时堆栈获取，首先来看backtrace系列函数——使用范围适合于没有安装GDB或者想要快速理清楚函数调用顺序的情况 ，头文件execinfo.h

int backtrace (void **buffer, int size); 
该函数用来获取当前线程的调用堆栈，获取的信息将会被存放在buffer中，它是一个指针数组。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；删除框架指针也会使无法正确解析堆栈内容。 
char **backtrace_symbols (void *const *buffer, int size); 
该函数将从backtrace函数获取的信息转化为一个字符串数组。参数buffer是从backtrace函数获取的数组指针，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。backtrace_symbols生成的字符串都是malloc出来的，但是不要最后一个一个的free，因为backtrace_symbols会根据backtrace给出的callstack层数，一次性的将malloc出来一块内存释放，所以，只需要在最后free返回指针就OK了。 
void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd);  

该函数与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。

在C++程序中还需要关注一下函数：

/**
* 用于将backtrace_symbols函数所返回的字符串解析成对应的函数名，便于理解
* 头文件    cxxabi.h
* 名字空间	abi
* @param mangled_name A NUL-terminated character string containing the name to be demangled.
* @param output_buffer    A region of memory, allocated with malloc, of *length bytes, into which the demangled name is stored. If output_buffer is not long enough, it is expanded using realloc. 
*         output_buffer may instead be NULL; in that case,  the demangled name is placed in a region of memory allocated with malloc. 
* @param length   If length is non-NULL, the length of the buffer containing the demangled name is placed in *length.
* @param status    *status is set to one of the following values:
*                0: The demangling operation succeeded.
*              -1: A memory allocation failiure occurred.
*              -2: Mangled_name is not a valid name under the C++ ABI mangling rules.
*              -3: One of the arguments is invalid.
*/
char *__cxa_demangle (const char *mangled_name, char *output_buffer, size_t *length, int *status);

接下来一步一步的讲解如何使用以上这些函数来获取程序的堆栈

一、第一版代码如下

#define MAX_FRAMES 100
void GetStackTrace (std::string* stack)
{
    void* addresses[MAX_FRAMES];
    int size = backtrace (addresses, MAX_FRAMES);
    std::unique_ptr<char*, void(*)(void*)> symbols {
        backtrace_symbols (addresses, size),
        std::free
    };
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        stack->append (symbols.get()[i]);
        stack->append ("\n");
    }
}

void TestFunc (std::string& stack, int value)
{
    while (--value);
    GetStackTrace (&stack);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    std::string stack;
    TestFunc (stack, 5);
    std::cout << stack << std::endl;
    return 0;
}

编译成可执行文件StackTrace 后执行输出如下结果：

./StackTrace(_Z13GetStackTracePSs+0x27) [0x4035d5]

./StackTrace(_Z8TestFuncRSsi+0x2a) [0x4036e6]

./StackTrace(main+0x2d) [0x403715]

/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf5) [0x7f7302027de5]

./StackTrace() [0x403139]

从输出的结果中可以得知程序的调用过程，但是看起来比较难以理解。让我们来稍微改动一下GetStackTrace函数。

二、进阶版代码，在第一点中的代码基础上改动

void DemangleSymbol (std::string* symbol)
{
    size_t size = 0;
    int status = -4;
    char temp[256] = {'\0'};
    //first, try to demangle a c++ name
    if (1 == sscanf (symbol->c_str (), "%*[^(]%*[^_]%[^)+]", temp)) {
        std::unique_ptr<char, void(*)(void*)> demangled {
            abi::__cxa_demangle (temp, NULL, &size, &status),
            std::free
        };
        if (demangled.get ()) {
            symbol->clear ();
            symbol->append (demangled.get ());
            return;
        }
    }
    //if that didn't work, try to get a regular c symbol
    if (1 == sscanf(symbol->c_str (), "%255s", temp)) {
        symbol->clear ();
        symbol->append (temp);
    }
}

void GetStackTrace (std::string* stack)
{
    void* addresses[MAX_FRAMES];
    int size = backtrace (addresses, MAX_FRAMES);
    std::unique_ptr<char*, void(*)(void*)> symbols {
        backtrace_symbols (addresses, size),
        std::free
    };
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        std::string demangled (symbols.get()[i]);
        DemangleSymbol (&demangled);
        stack->append (demangled);
        stack->append ("\n");
    }
}

该版本通过__cxa_demangle来将backtrace_symbols返回的字符串逐个解析成可以方便看懂的字符串，由于__cxa_demangle只能解析 _Z13GetStackTracePSs这样的字符串，所以使用sscanf来简单的截取backtrace_symbols函数返回的数据，当然，现在已不这么提倡使用sscanf函数了。编译成可执行文件StackTrace后执行输出如下结果：

GetStackTrace(std::string*)

TestFunc(std::string&, int)

./StackTrace(main+0x2d)

/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf5)

./StackTrace()

从输出的结果中可以得知程序的调用过程，但是少了一些其他的信息，让我们来改动一下DemangleSymbol函数

三、进进介版代码，在第一，第二点的代码基础上改动

// The prefix used for mangled symbols, per the Itanium C++ ABI:
// http://www.codesourcery.com/cxx-abi/abi.html#mangling
const char kMangledSymbolPrefix[] = "_Z";
// Characters that can be used for symbols, generated by Ruby:
// (('a'..'z').to_a+('A'..'Z').to_a+('0'..'9').to_a + ['_']).join
const char kSymbolCharacters[] = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789_";
// Demangles C++ symbols in the given text. Example:
// "out/Debug/base_unittests(_ZN10StackTraceC1Ev+0x20) [0x817778c]"
// =>
// "out/Debug/base_unittests(StackTrace::StackTrace()+0x20) [0x817778c]"
void DemangleSymbol (std::string* symbol)
{
    std::string::size_type search_from = 0;
    while (search_from < symbol->size ()) {
        // Look for the start of a mangled symbol from search_from
        std::string::size_type mangled_start = symbol->find (kMangledSymbolPrefix, search_from);
        if (mangled_start == std::string::npos) {
            break; // Mangled symbol not found
        }
        // Look for the end of the mangled symbol
        std::string::size_type mangled_end = symbol->find_first_not_of (kSymbolCharacters, mangled_start);
        if (mangled_end == std::string::npos) {
            mangled_end = symbol->size ();
        }
        std::string mangled_symbol = std::move (symbol->substr (mangled_start, mangled_end - mangled_start));
        // Try to demangle the mangled symbol candidate
        int status = -4; // some arbitrary value to eliminate the compiler warning
        std::unique_ptr<char, void(*)(void*)> demangled_symbol {
            abi::__cxa_demangle (mangled_symbol.c_str (), nullptr, 0, &status),
            std::free
        };
        // 0 Demangling is success
        if (0 == status) {
            // Remove the mangled symbol
            symbol->erase (mangled_start, mangled_end - mangled_start);
            // Insert the demangled symbol
            symbol->insert (mangled_start, demangled_symbol.get ());
            // Next time, we will start right after the demangled symbol
            search_from = mangled_start + strlen (demangled_symbol.get ());
        }
        else {
            // Failed to demangle. Retry after the "_Z" we just found
            search_from = mangled_start + 2;
        }
    }
}

该版本的DemangleSymbol函数与第二版的DemangleSymbol函数稍有改动，该版本主要是找到 _Z13GetStackTracePSs这样的字符串给__cxa_demangle函数解析，最后将解析后的内容替换掉原来的内容，编译成可执行文件StackTrace后执行输出结果入下：

./StackTrace(GetStackTrace(std::string*)+0x27) [0x403720]

./StackTrace(TestFunc(std::string&, int)+0x2a) [0x4038c0]

./StackTrace(main+0x2d) [0x4038ef]

/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf5) [0x7fb9d560bde5]

./StackTrace() [0x403279]

以上输出结果在代码调试中能给我们带来很多的信息，但是还是少了一些辅助信息，例如：文件名、函数所在文件的代码行、进程或者线程号（这个在多线中很重要）。更多内容可以参考开源项目libunwind或者google-coredumper。

参考：

[1]. http://www.cnblogs.com/mickole/p/3246702.html

[2]. http://charette.no-ip.com:81/programming/2010-01-25_Backtrace/

[ 3 ]. http://mykospark.net/2009/09/runtime-backtrace-in-c-with-name-demangling/

[4]. http://src.chromium.org/viewvc/chrome/trunk/src/base/debug/stack_trace_posix.cc