Walking the callstack [译文 part1]

Walking the callstack [译文 part1]

Walking the callstack

作者：Jochen Kalmbach

翻译：Hefe

原文出处：www.codeproject.com

关键字：callstack, StackWalker

简介

有些情况下，我们需要显示当前线程的callstack，或是显示其他我们感兴趣的进程或线程的callstack，为此，我专门写了这篇文章阐述如何获得callstack。

我写这篇文章的主要目的如下：

1， 提供一些简单的接口来生成callstack

2， 基于CPP的特性提供一些方法来用于重载

3， 隐藏具体API的实现

4， Callstack信息默认输出在debug模式窗口（可以自己定制输出方式）

5， 支持用户提供的内存只读函数

6， 编译器支持VC5-VC8

7， 提供最便利的callstack生成方案

背景

目前MS已经提供API(StackWalker64)用来遍历callstack。从win9x/w2k开始，这个接口就被包含在dbghelp.dll的库中(在NT上，取而代之的是imagehelp.dll)，只是这个接口(StackWalk64)从w2k之后被改名字了，在w2k之前叫StackWalk，没有尾巴的64。这个工程只支持最新的Xxx64接口，如果你想在比较旧的平台上运行，你可以去下载支持相关的平台dll。

最新版本的dbghelp.dll可以和windbg一起下载（译者注：windbg是MS发布的一款调试工具，当你下载并安装的时候，相应的安装目录下会有dbghelp.dll文件）。同时也包含了symsrv.dll文件，这个文件主要用来激活MS的公共符号服务(这个服务主要用来获取系统文件的调试信息)。

如何使用代码

StackWalker这个类的使用非常简单。比如：如果你想获得当前线程的callstack，你只需要初始化一个StackWalk的实例，然后调用ShowCallStack即可。（译者注：一般我们需要继承StackWalker这个类，然后声明并初始化这个子类的实例）。

代码演示1

#include <windows.h>

#include "StackWalker.h"

void Func5() { StackWalker sw; sw.ShowCallstack(); }

void Func4() { Func5(); }

void Func3() { Func4(); }

void Func2() { Func3(); }

void Func1() { Func2(); }

int main()

{

 Func1();

 return 0;

}

在debug-output窗口生成相应的输出如下：

[...] (output stripped)

d:\privat\Articles\stackwalker\stackwalker.cpp (736): StackWalker::ShowCallstack

d:\privat\Articles\stackwalker\main.cpp (4): Func5

d:\privat\Articles\stackwalker\main.cpp (5): Func4

d:\privat\Articles\stackwalker\main.cpp (6): Func3

d:\privat\Articles\stackwalker\main.cpp (7): Func2

d:\privat\Articles\stackwalker\main.cpp (8): Func1

d:\privat\Articles\stackwalker\main.cpp (13): main

f:\vs70builds\3077\vc\crtbld\crt\src\crt0.c (259): mainCRTStartup

77E
      
       614C
      7 (kernel32): (filename not available): _BaseProcessStart@4

你现在可以双击任意一行，VS会自动的跳转到你想到的文件并定位到具体行。

定制你自己的输出结构

如果你想直接把callstack输出到文件或是使用其他的输出结构（译者注：比如英雄岛项目中就是ITrace*），你只需要继承StackWalker类即可。你有两种选择来实现自己的输出结构：1，重写OnOutput方法。2，重写所有的OnXXX函数。当然从OO的思想来说，第一种方法是推荐的，符合KISS的原则。

演示代码2

class MyStackWalker : public StackWalker

{

public:

 MyStackWalker() : StackWalker() {}

protected:

 virtual void OnOutput(LPCSTR szText)

    { printf(szText); StackWalker::OnOutput(szText); }

};

获得callstack的具体信息

如果你想获得关于callstack的具体信息（比如已加载的模块，地址信息，以及错误信息），你可以重载下面提供的相应的方法。

演示代码3

class StackWalker

{

protected:

 virtual void OnSymInit(LPCSTR szSearchPath, DWORD symOptions, LPCSTR szUserName);

 virtual void OnLoadModule(LPCSTR img, LPCSTR mod, DWORD64 baseAddr, DWORD size,

    DWORD result, LPCSTR symType, LPCSTR pdbName, ULONGLONG fileVersion);

 virtual void OnCallstackEntry(CallstackEntryType eType, CallstackEntry &entry);

 virtual void OnDbgHelpErr(LPCSTR szFuncName, DWORD gle, DWORD64 addr);

};

上述的方法会在callstack的生成过程中被调用。

callstack的各种类别

在StackWalker的构造函数中，如果你想针对具体的进程生成callstack，那你需要传入具体的进程信息作为参数，比如进程ID和进程句柄，请看下面的两个构造函数。

演示代码4

class StackWalker

{

public:

 StackWalker(

    int options = OptionsAll,

    LPCSTR szSymPath = NULL,

    DWORD dwProcessId = GetCurrentProcessId(),

    HANDLE hProcess = GetCurrentProcess()

    );

 // Just for other processes with

 // default-values for options and symPath

 StackWalker(

    DWORD dwProcessId,

    HANDLE hProcess

    );

};

真正遍历callstack的方法也就是下面的ShowCallstack()

演示代码5

class StackWalker

{

public:

 BOOL ShowCallstack(

    HANDLE hThread = GetCurrentThread(),

    CONTEXT *context = NULL,

    PReadProcessMemoryRoutine readMemoryFunction = NULL,

    LPVOID pUserData = NULL

    );

};

显示一个异常的callstack

利用这个StackWalker你同样可以获得一个异常句柄的callstack。你只需要写一个异常过滤器即可。

演示代码6

// The exception filter function:

LONG WINAPI ExpFilter(EXCEPTION_POINTERS* pExp, DWORD dwExpCode)

{

 StackWalker sw;

 sw.ShowCallstack(GetCurrentThread(), pExp->ContextRecord);

 return EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER;

}

// This is how to catch an exception:

__try

{

 // do some ugly stuff...

}

__except (ExpFilter(GetExceptionInformation(), GetExceptionCode()))

{

}

本文要点

上下文与callstack

遍历一个线程的callstack，你至少要知道以下两点：

1， 当前线程的上下文context

线程的上下文主要是用来获取当前IP指针(Instruction Pointer指令指针)和SP(Stack Pointer)指针的值，有时候也用来获取FP(Frame Pointer）指针的值。简而言之，SP和FP指针的区别在于：SP指针指向最近一次的堆栈地址，FP主要用来指向当前函数的地址，你可以参考以下的文档来了解更多（Difference Between Stack Pointer and Frame Pointer.）。但是对于CPU来说，只有SP是必不可少的，FP是提供给编译器用的，你可以取消FP的使用开关。

2， Callstack

Callstack其实就是一块内存区域，它包含了调用者的所有的数据内容和地址信息。这些数据内容必须用来获取callstack（译者注：感觉这句话有点多余了，为了尊重作者，我还是保留了）。最重要的是：在完成stack-walking之前，这些数据内容必须保持不变。这也就是为什么在获取有效callstack的时候，当前线程必须要被挂起的原因。如果你想遍历当前线程的stack，那么你也就不能改变callstack的指针内容，也就是在上下文中声明的寄存器指针内容。

初始化STACKFRAME64结构

为了能利用StackWalk64来成功的遍历callstack，我们必须用有意义的值来初始化STACKFRAME64。在STACKFRAME64的文档中，有一小段要点描述如下：

如果STACKFRAME64的两个成员AddrPC和AddrFrame没有被初始化就作为参数传给StackWalk64的话，那么这个函数在第一次被调用的时候就会失败。

根据这篇文档所述，大多数的程序只需要初始化AddrPC和AddrFrame这两个参数，而且这种方式在dbghelp.dll最新版本v 5.6.3 .7发布之前一直都是正确的。但是，现在你除了要初始化这两个参数之外，还要初始化AddrStack这个参数。在发现一些麻烦和问题后，我和dbghelp开发小组讨论了一下，并得到了如下的答案（ 2005-08-02 ，我的观点是斜体文字）

1， 在所有的平台下，AddrStack都要被设置成指向stack pointer(也就是ESP)。你当然可以公布AddsStack应该被设置，甚至你可以说最新版本的dbghelp必须要求这么做。

2， 现在的dbghelp版本，你应该遵循下面的做法：

a). 请使用StackWalk64

b). 请把参数AddrPC设置成指向当前指令指针，分别是EIP(x86)，Rip(x64),stIIP(IA64)

c). 请把AddrStack设置成指向当前的SP指针，分别是ESP(x86)，RSP(x64),IntSP(IA64)

d). 如果当前的Frame Pointer是有意义的，请把AddrFrame设置成指向当前的Frame Pointer，分别是EBP(x86)，RBP(x64)[作者的斜体字部分：当时在VC2005B2的环境下，该寄存器无法使用，取而代之的是Rdi]，RsBSP(IA64)。StackWalk64会在没有必要的情况忽略这个参数的值。

e). 在IA64的平台下请把AddrStore设置成指向RsBSP。