用Graphviz和pvtrace等工具可视化C函数调用

from http://guiquanz.github.io/2012/10/15/linux_c_call_trace/

巧用Graphviz和pvtrace等工具可视化C函数调用Oct 15, 2012

引子

在分析复杂的C/C++软件时，如果有一个工具可以便捷的生成“函数调用关系图”，不是一件很好的事吗？如果你庆幸是一个Javaer或钟爱基于IDE（如Eclipse）的软件开发，应该会经常使用类似的工具。如果，你是*Nixer（*nix用户）呢？其实,我们一样有工具可用（地球村那么多hacker，你遇见的问题，多半是别人早就碰到了并给出了相应的解决方案）。

除了使用CodeViz、egypt和ncc，你可以尝试一下本文介绍的方案（核心的处理方式都差不多）。

实现原理

依赖于gcc的hook机制，在函数的入口及出口打上“标签”用于获取“调用者”函数符号地址信息（保存到文件中），然后通过addr2line（pvtrace内部实现依赖于此工具），根据给定的“地址”从可执行文件中查出对应的“函数名”。最后，生成满足graphviz组件dot语法的文件，用dot将其转为图形文件即可。

具体涉及的hook，如下：

1. 函数入口及出口hook函数原型

  
  
  
  

   
   
   
   
void __cyg_profile_func_enter( void *, void * ) 
   
   
   
   
 __attribute__ ((no_instrument_function));
   
   
   
   
 
   
   
   
   
void __cyg_profile_func_exit( void *, void * )
   
   
   
   
 __attribute__ ((no_instrument_function));
  
  
  
  

通过实现以上原型的实例函数，完成函数调用信息采集。

2. 在调用main函数之前及其退出之后，设置特殊处理操作的hook函数原型

  
  
  
  

   
   
   
   
void main_constructor( void )
   
   
   
   
 __attribute__ ((no_instrument_function, constructor));
   
   
   
   
 
   
   
   
   
void main_destructor( void )
   
   
   
   
 __attribute__ ((no_instrument_function, destructor));
  
  
  
  

通过实现以上原型的实例函数，生成及关闭用于保存函数调用关系信息的文件（trace.txt）。

具体的实现，可参考pvtrace源代码中的instrument.c文件。

更多细节，请查阅用Graphviz可视化函数调用一文。

安装pvtrace和Graphviz

1. 安装pvtrace

  
  
  
  

   
   
   
   
$ mkdir -p ~/project1 && cd ~/project1
   
   
   
   
$ wget http://www.mtjones.com/developerworks/pvtrace.zip
   
   
   
   
$ unzip pvtrace.zip -d pvtrace
   
   
   
   
$ cd pvtrace
   
   
   
   
$ make
   
   
   
   
$ sudo make install
   
   
   
   
 
   
   
   
   
# 查看pvtrace相关文件
   
   
   
   
$ ls -1 pvtrace
   
   
   
   
instrument.c
   
   
   
   
Makefile
   
   
   
   
stack.c
   
   
   
   
stack.h
   
   
   
   
symbols.c
   
   
   
   
symbols.h
   
   
   
   
trace.c
  
  
  
  

2. 安装graphviz

  
  
  
  

   
   
   
   
$ sudo yum install graphviz
  
  
  
  

测试

在完成软件安装之后，编写一个测试程序（test.c），并进行测试。具体流程，如下：

1. 编辑测试文件test.c

  
  
  
  

   
   
   
   
$ cd ~/project1
   
   
   
   
$ cat << EOF > test.c
   
   
   
   
#include <stdio.h>
   
   
   
   
#include <stdlib.h>
   
   
   
   
 
   
   
   
   
void test1()
   
   
   
   
{
   
   
   
   
 printf("in test1.\n");
   
   
   
   
}
   
   
   
   
 
   
   
   
   
void test2()
   
   
   
   
{
   
   
   
   
 test1();
   
   
   
   
 printf("in test2.\n");
   
   
   
   
}
   
   
   
   
 
   
   
   
   
void test3()
   
   
   
   
{
   
   
   
   
 test1();
   
   
   
   
 test2();
   
   
   
   
 
   
   
   
   
 printf("in test3.\n");
   
   
   
   
}
   
   
   
   
 
   
   
   
   
int main(int argc, char *argv[])
   
   
   
   
{
   
   
   
   
 printf("Hello wolrd.\n");
   
   
   
   
 
   
   
   
   
 test1();
   
   
   
   
 test2();
   
   
   
   
 test3();
   
   
   
   
 
   
   
   
   
 return 0;
   
   
   
   
}
   
   
   
   
EOF
  
  
  
  

2. 编译测试程序

  
  
  
  

   
   
   
   
$ gcc -g -finstrument-functions test.c ./pvtrace/instrument.c -o test
   
   
   
   
 
   
   
   
   
注意： 必须有`-g -finstrument-functions`选项，否则后续就采集不到信息了。
  
  
  
  

3. 执行程序，生成信息文件trace.txt

  
  
  
  

   
   
   
   
$ ./test
  
  
  
  

4. 通过pvtrace、可执行文件及trace.txt，生成信息文件graph.dot

  
  
  
  

   
   
   
   
$ pvtrace test
  
  
  
  

5. 通过dot工具将graph.dot，转为图像文件graph.png

  
  
  
  

   
   
   
   
$ dot -Tpng graph.dot -o graph.png
  
  
  
  

6. 浏览生成的图片

最终生成的图形效果，如下：

为已有的项目生成函数调用图

可以通过以下步骤为已有的项目生成函数调用图：

1. 将pvtrace源代码中的instrument.c文件拷贝到项目中；

2. 增加对instrument.c文件的编译

3. 修改编译选项：增加-g -finstrument-functions

4. 修改连接选项：将instrument.o连接到可执行文件中

5. 执行你的程序

6. 用pvtrace及“你的可执行文件”处理trace.txt

7. 用dot生成函数调用关系图

以下是对redis-2.4.17版本的处理，然后生成redis-cli启动及一个set操作对应的函数调用关系图：

支持C++的扩展

目前pvtrace不支持C++代码，如果有人希望改进，一种可行的改进思路，如下：

1. 修改instrument.c文件，支持C++环境的编译；

2. 通过c++filt工具处理解析到的函数名标签，解析出实际的函数名： 为了支持继承、多态及函数重载等，C++编译时对函数名进行了特殊处理；

3. 采用合理的编码方式，确保步骤2中生成的函数名满足dot的语法（C++是用整个函数原型等信息来生成的函数签名的，所以步骤2中用c++filt翻译出来的是函数原型（包括名字空间等信息））；

4. 增加函数调用先后顺序的标识。

同类工具

1. CodeViz: A CallGraph Visualiser;

2. egypt;

3. ncc。

扩展阅读

1. IBM developerworks 上M. Tim Jones 专栏及mtjones的主页；

2. Graphviz各大组件（dot等）工具相关文档；

3. GCC实用工具addr2line说明；

4. 陈硕的博文“用CodeViz绘制函数调用关系图”；

参考文献

1. M.Tim Jones的文章用Graphviz可视化函数调用。