调试Release发布版程序的Crash错误

在Windows平台下用C++开发应用程序，最不想见到的情况恐怕就是程序崩溃，而要想解决引起问题的bug，最困难的应该就是调试release版本了。因为release版本来就少了很多调试信息，更何况一般都是发布出去由用户使用，crash的现场很难保留和重现。本文将给出几个解决方案，完成对release版应用程序crash错误的调试。（本文只讨论Windows平台MSVC环境下的调试，对于其他平台和开发环境没有关注，请大家自己借鉴和尝试。）

 

    方案一：崩溃地址 + MAP文件

    这种方案只能对VC7以前的版本开发的程序使用。 

    1、崩溃地址

     所谓崩溃地址就是引起程序崩溃的内存地址，在WinXP下应用程序crash的对话框如下图：

    上面第2张图中画红线的值为crash的代码偏移地址，第3张图为即crash绝对地址；一般引起crash的原因多为内存操作错误，我们用这两个地址和MAP文件就能定位出错的代码行。

    2、MAP文件

    MAP文件是记录应用程序信息的文件（文本文件），里面大概包含了程序的全局符号、源码模块名、源码文件和行号等信息，而这些信息能够帮助我们定位出错的代码行。

    怎样生成MAP文件呢？以VC6为例，在 Project Settings -> C/C++ -> Debug info中，选择 Line Numbers Only ；在 Project Settings -> Link 中，选择 Generate mapfile项，并在Project Options 里面输入 /MAPINFO:LINES 和 /MAPINFO:EXPORTS，重新编译程序就会生成.map文件。

    以上设置对应的编译链接选项分别分：

    /Zi — 表示生成pdb调试信息；

    /MAP[:filename] — 表示生成map文件名；

    /MAPINFO:EXPORTS — 表示生成的map文件中加入exported functions（生成DLL文件时）；

    /MAPINFO:LINES — 表示生成的map文件中加入代码行信息。

    由于/MAPINFO:LINES选项在VC8以后的版本中不再支持，因此通过MAP文件中的信息和crash地址定位出错代码行就比较困难了，所以这种方案只能在VC7及以前的版本中使用。

    一个MAP文件片段示例如下： 

      

   

    图中Rva+Base列的地址为该行函数对应的函数绝对地址，Address列中冒号后面的地址为函数相对偏移地址。   

    3、定位crash代码

    有了上面的介绍，定位crash代码就很简单了。用下面的公式来进行定位：

    崩溃行偏移 = 崩溃地址 - 崩溃函数绝对地址 + 函数相对偏移

    我们首先根据崩溃地址（绝对地址），按照找到第2张图中Rva+Base列的地址找到发生崩溃的函数（即崩溃地址大于该函数行的Rva+Base地址且小于下个函数的地址），然后找到该行对应的函数相对偏移地址，带入公式中，就得到了崩溃行偏移，该值表示崩溃行的代码相对于代码所在函数的偏移量。用该值去与第3张图中对应函数冒号后面的偏移量去比较，最接近的值前面的那个十进制数即为代码所在函数中的行号。

    ok，到此我们已经成功找到了崩溃的代码行，只不过这种方法还是比较费力，并且限制比较多，我们看看下面的方案。

上篇给出的方案一还要补充几句。通过“crash地址 + MAP文件”来定位出错代码位置虽然需要经过比较复杂的地址计算，但却是最简单实现的方式。如果仅仅想通过崩溃地址定位出错的函数，就更加方便了。我在网上找到一个解析MAP文件的小工具，可以非常清晰的列出每个函数的地址，并且可以将分析表格导出为Excel文件。工具下载地址：http://e.ys168.com/?tinyfun，工具目录下VCMapper.exe。

    另外上篇主要参考两篇文章：

    http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=908

    http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1473

 

    方案二：崩溃地址 + MAP文件 + COD文件

    由于VC8以后的版本都不再支持MAP文件中产生代码行信息，因此我们寻找另一种定位方式：COD文件。

    1、COD文件

    COD文件是一个包含了汇编码、二进制机器码和源代码对应信息的文件，每一个cpp都对应一个COD文件。通过这个文件，我们可以非常方便地进行定位。

    在VC6中生成COD文件的设置方式为：Project Settings -> C/C++，在 Category 中选 Listing Files，在 Listing file type 组合框中选 Assembly，Machine code，and source。在VC8中生成COD文件的设置方式为：Project Properties -> C/C++ -> Output Files -> Assembler Output 项，选择 Assembly，Machine code，and Source(/Facs)。

   

    2、定位崩溃行

    下面通过举例进行说明。现在我有一个基于对话框的MFC应用程序CrashTest，在CCrashTestDlg::OnInitDialog函数中写入导致crash的代码语句（第99行），源文件如下：

   

    根据崩溃地址（0x004012A3）以及MAP文件（定位片段图片如下），定位crash函数为OnInitDialog；并且我们可以很容易地计算出崩溃地址相对于崩溃函数的偏移量为 0x004012A3 - 0x004011E0 = 0xC3。

   

    再来看看CrashTestDlg.cod文件，我们根据文件中源码信息找到OnInitDialog函数信息片段：

   

    可以看到图片中第一行为OnInitDialog函数汇编代码的起始行；找到“int * p = NULL;”这一句源码，其前面的98表示这行代码在源文件中的行号，下面的000c1表示相对于函数开始位置的偏移量，后面的“33 c0”为机器码，“xor eax，eax”为汇编码。那么我们根据前面算出来的偏移量0xC3，找到对应出错的语句为99行：“*p = 5;”。

    总结一下定位步骤：

    1) 根据公式 崩溃语句在函数中偏移地址 = 崩溃地址 - 崩溃函数地址 计算出偏移量X；

    2) 根据公式 崩溃语句在COD文件中地址 = 崩溃函数在COD文件中地址 + X 计算出地址Y。其中崩溃函数在COD文件中地址为COD文件中函数起始括号“{”后面表明的地址，一般情况下为0x0000；

    3) 根据Y在COD文件中找到对应代码行。

   

    ok，方案二介绍完了。这种方法最大的好处是没有VC开发环境版本限制，而且COD文件里面包含的信息更加丰富，不但可以帮助我们定位crash，还能帮我们分析很多东西。当然，这也导致编译生成了很多信息文件。

根据前面两篇博文，我们要定位崩溃行代码，必须要自己根据相关信息文件进行计算。如果需要处理的量比较大，恐怕会很费力气。有没有更简单快速的办法呢？

    最直接的想法就是写一个小工具，根据规则和信息进行自动定位，不过开发起来也是要费一番功夫的。令人开心的是，我们可以找到类似的工具，而且是开源免费的！程序员的世界也许很多时候都是这么单纯而乐于分享！

   

    方案三：崩溃地址 + PDB文件 + CrashFinder

    CrashFinder是一个开源工具，作者是John Robbin，大家可以去他的blog上去找关于CrashFinder的信息。我们这里以CrashFinder2.5版本为例介绍，相关文章链接为：http://www.wintellect.com/CS/blogs/jrobbins/archive/2006/04/19/crashfinder-returns.aspx

    1、PDB文件

    PDB（Program Database）文件中包含了exe程序所有的调试相关信息，具体可以查阅MSDN。当编译选项设置为/Zi，链接选项设置为/DEBUG，/OPT:REF时，就会生成工程的.pdb文件。具体到VC2005中，就是 Project Propertise -> C/C++ -> General -> Debug Information Format 项设置为 Program Database（/Zi），Linker -> Debugging -> Generate Debug Info 项设置为 Yes（/Debug），Linker -> Optimization -> References 项设置为 Eliminate Unreferenced Data（/OPT:REF）。

    只要设置以上选项，release版本也能生成PDB文件。当然，对应的应用程序也会稍大。

    2、CrashFinder

    CrashFinder能够运行需要两个条件：一是系统必须要有dbghelp.dll文件；二是PDB文件必须与exe文件在一个路径下。对于dbghelp.dll，一般在系统system32路径下都有，如果没有下载一个放到这个目录下就可以了。

    先看一下CrashFinder的界面。

   

    用起来也非常简单。首先选择File->New或点击工具栏新建按钮，选择要调试的exe文件打开，会发现exe及所依赖的dll文件信息都已经加载进来。在下半部分的编辑框中输入崩溃地址（16进制），点右边的“Find”按钮，就会在下面显示崩溃的源文件路径、名称以及崩溃所在行号了，如下图所示。

    用CrashFinder进行crash定位真的非常方便。但是我在使用过程中发现了一个bug，每次启动程序后，直接新建的话加载进来的exe模块都显示叉，提示找不到debug symbols。但是用打开按钮随便打开一个文件失败后，再新建就能成功。猜测可能是直接新建，定位PDB文件时的路径不对引起的。有源码，但是懒的看了呵呵，大家感兴趣可以试一下。

    好了，方案三就介绍到这里，后面还有更加强大的方案 : )

前面几个方案都是直接定位crash的代码位置，但是在比较大型的程序中，只知道这个信息还是远远不够的，我们希望知道更多关于调用函数顺序及变量值等信息，也就是crash时调用堆栈信息。

 

    方案四：SetUnhandledExceptionFilter + StackWalker

    这个方案需要自己动手往工程里添加代码了。要实现上面的想法，需要做两件事情：1、需要在crash时有机会对程序堆栈进行处理；2、对堆栈信息进行收集。

    1、SetUnhandleExceptionFilter函数

    Windows平台下的C++程序异常通常可分为两种：结构化异常（Structured Exception，可以理解为与操作系统相关的异常）和C++异常。对于结构化异常处理（SEH），可以找到很多资料，在此不细说。对于crash错误，一般由未被正常捕获的异常引起，Windows操作系统提供了一个API函数可以在程序crash之前有机会处理这些异常，就是SetUnhandleExceptionFilter函数。（C++也有一个类似函数set_terminate可以处理未被捕获的C++异常。）

    SetUnhandleExceptionFilter函数声明如下：

    LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER WINAPI SetUnhandledExceptionFilter(
      __in          LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER lpTopLevelExceptionFilter
    );

    其中 LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER 定义如下：

    typedef LONG (WINAPI *PTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER)(
        __in struct _EXCEPTION_POINTERS *ExceptionInfo
    );
    typedef PTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER;

    简单来说，SetUnhandleExceptionFilter允许我们设置一个自己的函数作为全局SEH过滤函数，当程序crash前会调用我们的函数进行处理。我们可以利用的是 _EXCEPTION_POINTERS 结构类型的变量ExceptionInfo，它包含了对异常的描述以及发生异常的线程状态，过滤函数可以通过返回不同的值来让系统继续运行或退出应用程序。

    关于 SetUnhandleExceptionFilter 函数的具体用法和示例请参考MSDN。

 

    2、StackWalker
    现在我们已经有机会可以在crash之前对程序状态信息进行处理了，只需要生成并保存堆栈信息就大功告成了。Windows的dbghelp.dll库提供了一个函数可以得到当前堆栈信息：StackWalk64（在Win2K以前版本中为StackWalk）。该函数声明如下：

    BOOL WINAPI StackWalk64(
      __in          DWORD MachineType,
      __in          HANDLE hProcess,
      __in          HANDLE hThread,
      __in_out      LPSTACKFRAME64 StackFrame,
      __in_out      PVOID ContextRecord,
      __in          PREAD_PROCESS_MEMORY_ROUTINE64 ReadMemoryRoutine,
      __in          PFUNCTION_TABLE_ACCESS_ROUTINE64 FunctionTableAccessRoutine,
      __in          PGET_MODULE_BASE_ROUTINE64 GetModuleBaseRoutine,
      __in          PTRANSLATE_ADDRESS_ROUTINE64 TranslateAddress
    );
    该函数的具体用法可以参考MSDN。在这里推荐一个牛人写好的StackWalker，可以直接拿来用，开源的。StackWalker提供了一个基类，给出了几个简单的接口，可以方便地生成堆栈信息，并且支持一系列VC版本，非常好用。我们可以自己写一个子类，并重载虚函数OnOutput，就可以将堆栈信息输出为特定格式了。StackWalker的地址为：http://www.codeproject.com/KB/threads/StackWalker.aspx。

    不过对于Release版本来说，StackWalk64函数获得的堆栈信息有可能不完整。如果异常是由MFC的模块抛出，那么获得的堆栈可能缺少前面调用模块信息。另外，StackWalk64需要最新的dbghelp.dll文件支持才能工作；要正确输出crash的函数名和行号，需要要pdb文件支持。以上不足有可能影响输出信息的完整性和效果，而对于发布在外的程序，要带上pdb文件几乎不可能，因此这个方案还是有缺憾的，比较适用于本地的release版本调试。

    下一篇我们将介绍一个更加完善的解决方案

当我们把自己的release版本程序发布出去以后，一般都是在用户的机器上运行。这种情况下，对于第四种方案，因为需要pdb文件才能够正确生成堆栈调用的函数行号及代码行号，因此方案四只适用于本地release版的调试，否则只能生成不完整的堆栈信息。对于前三种方案，其实只需要用户告知崩溃地址，然后在本地查找crash地址就可以了，但是定位crash的过程非常不方便，如果crash的情况比较多，前三种方案都不合适。而且，前三种方案均不能生成堆栈调用信息，对于debug的作用有限。

    下面我们就来看一个更加完善的解决方案。

 

    方案五：SetUnhandledExceptionFilter + Minidump

    SetUnhandleExceptionFilter函数我们已经介绍过了，本方案的思路还是要利用我们自己的异常处理函数，来生成minidump文件。

    1、Minidump概念

    minidump（小存储器转储）可以理解为一个dump文件，里面记录了能够帮助调试crash的最小有用信息。实际上，如果你在 系统属性 -> 高级 -> 启动和故障恢复 -> 设置 -> 写入调试信息 中选择“小内存转储(64 KB)”的话，当系统意外停止时都会在C:\Windows\Minidump\路径下生成一个.dmp后缀的文件，这个文件就是minidump文件，只不过这个是内核态的minidump。

   我们要生成的是用户态的minidump，文件中包含了程序运行的模块信息、线程信息、堆栈调用信息等。而且为了符合其mini的特性，dump文件是压缩过的。

    2、生成minidump文件

    生成minidump文件的API函数是MiniDumpWriteDump，该函数需要dbghelp.lib支持，其原型如下:

    BOOL WINAPI MiniDumpWriteDump(
      __in          HANDLE hProcess,
      __in          DWORD ProcessId,
      __in          HANDLE hFile,
      __in          MINIDUMP_TYPE DumpType,
      __in          PMINIDUMP_EXCEPTION_INFORMATION ExceptionParam,
      __in          PMINIDUMP_USER_STREAM_INFORMATION UserStreamParam,
      __in          PMINIDUMP_CALLBACK_INFORMATION CallbackParam
    );

    在我们的异常处理函数中加入以下代码：

    HANDLE hFile = ::CreateFile( _T("E:\\dumpfile.dmp"), GENERIC_WRITE, 0, NULL, CREATE_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
     if( hFile != INVALID_HANDLE_VALUE)
     {
         MINIDUMP_EXCEPTION_INFORMATION einfo;
         einfo.ThreadId = ::GetCurrentThreadId();
         einfo.ExceptionPointers = pExInfo;
         einfo.ClientPointers = FALSE;

        ::MiniDumpWriteDump(::GetCurrentProcess(), ::GetCurrentProcessId(), hFile, MiniDumpNormal, &einfo, NULL, NULL);
        ::CloseHandle(hFile);
     }

    其中，pExInfo变量为异常处理函数PEXCEPTION_POINTERS类型的参数。具体请参考MSDN。

    3、调试minidump

    调试dump文件首先需要pdb文件，因此我们build程序时需要设置 Debug Infomation Format 为 “Program Database（/Zi）”。其次，我们还要确保所用的dump文件与源代码、exe、pdb文件版本是一致的，这要求我们必须维护好程序版本信息。

    调试minidump最方便的环境就是VS了，我们只要将.dmp、.exe、.pdb文件放在一个路径下，保证源代码文件的路径与编译时的路径一致就可以了，剩下的就是VS帮我们完成。双击.dmp文件或者在文件打开工程中选择“dump files”，加载dump文件，然后按F5运行就能直接恢复crash时的现场了，你可以定位crash的代码，可以查看调用堆栈，可以查看线程和模块信息...一切都跟你设置断点调试一样，太强大了！看个截图吧。

    需要注意的是，对于release版的程序来说，很多代码是经过编译器优化过的，因此定位的时候可能会有所偏差，大家可以考虑设置选项去掉代码优化。

    其他可以调试minidump的工具还有WinDbg等，大家可以查阅相关资料。

    本文主要参考了这篇文章：http://vicchina.51.net/research/other/seh/minidumps/intro.htm。

    下一篇，我们将给出一个调试release发布程序的完美解决方案，适合用户量较大的应用发布程序的调试。

上一篇我们已经给出了方案，能够非常方便的通过dump文件对crash错误进行调试和定位；从整个流程上看还差最后一步，即怎样拿到crash时产生的dump文件。如果可以让用户把文件发送过来自然不错，但对于类似免费共享软件等在互联网上发布的程序呢？我们的用户是不确定的，而且用户量有可能非常大，即使我们能想办法联系到用户，总不能挨个去收集crash信息吧。

    我们需要一种方案，能够提供crash信息汇报功能。

    我们可以架设一台服务器专门进行信息收集，只要客户端在crash时正确汇报即可，但是相应的维护成本和开发难度也不可忽视。有没有更简单的方法呢？还记得我的博文“为程序添加自动发送Email功能”吗？这就是简单有效的方法！

 

    方案六：minidump + email

    我们只需要在异常处理时，先生成minidump信息文件，再用email方式将文件发送到指定邮箱就行了。剩下的就是我们每天查看邮箱，提取dump文件进行调试了。

    1、Email功能

    首先我们来看一下email发送都需要哪些相关信息。

    a、发送端邮箱帐户；

    b、接收端邮箱帐户；

    c、email标题，一般应有软件名称及版本信息；

    d、email正文，一般应有简单的crash信息提示，以区别不同原因造成的crash；

    e、email附件，当然就是我们的dump文件了，还可以加上软件生成的log文件等。

    当然，对于标题应该尽量多加一些信息区别引起crash的原因，比如将crash的地址信息加到标题中；因为当每天有成百上千的crash汇报上来，重复的crash占大多数，把时间都花在区分它们身上有点太浪费。由此看来，前面方案中提到的StackWalker还是有些用处的，我们可以用它来生成一些crash的文字描述信息，写到标题或正文中去。

    dump文件的大小是否适合作为邮件的附件呢？实际上minidump产生的文件一般在几K到几十K之间，作为email的附件没有任何问题。

    关于发送email相关技术细节，已经在“为程序添加自动发送Email功能”文中介绍了，大家可以参考。其实，对接受邮箱中邮件的处理还是很费时费力的，大家可以考虑写一些脚本将处理流程自动化，提高效率。

    2、google breakpad

    google breakpad是一个开源的跨平台crash report系统，光从开源和跨平台这两个特点上来看，它就足以称的上是一个完善而有效的工具了。其实，breakpad在整个crash report层次上给出了一个系统级的解决方案，也就是说它几乎能适应各种软件、各种平台的应用要求。

    breakpad的整体思路跟上面介绍的方案是相似的，只不过最后提交dump文件的方式更加完善。大家有兴趣可以去它的官方网址查阅相关资料：http://code.google.com/p/google-breakpad/。

 

    ok，关于调试release发布程序的crash错误系列文章就写完了。这几篇文章给出的方案由简单到复杂，由简陋到完善，对crash调试有了一个比较全面的总结。当然，其中涉及到的概念和技术还很多，需要我们去不断学习和领悟，也希望大家能够互相交流。