linux C用户态调试追踪函数调用堆栈以及定位段错误

一般察看函数运行时堆栈的方法是使用GDB（bt命令）之类的外部调试器,但是,有些时候为了分析程序的BUG,(主要针对长时间运行程序的分析),在程序出错时打印出函数的调用堆栈是非常有用的。

在glibc头文件"execinfo.h"中声明了三个函数用于获取当前线程的函数调用堆栈。

int backtrace(void **buffer,int size)

该函数用于获取当前线程的调用堆栈,获取的信息将会被存放在buffer中,它是一个指针列表。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;删除框架指针也会导致无法正确解析堆栈内容

char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size)

backtrace_symbols将从backtrace函数获取的信息转化为一个字符串数组. 参数buffer应该是从backtrace函数获取的指针数组,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

现在,只有使用ELF二进制格式的程序才能获取函数名称和偏移地址.在其他系统,只有16进制的返回地址能被获取.另外,你可能需要传递相应的符号给链接器,以能支持函数名功能(比如,在使用GNU ld链接器的系统中,你需要传递(-rdynamic)， -rdynamic可用来通知链接器将所有符号添加到动态符号表中，如果你的链接器支持-rdynamic的话，建议将其加上！)

该函数的返回值是通过malloc函数申请的空间,因此调用者必须使用free函数来释放指针.

注意:如果不能为字符串获取足够的空间函数的返回值将会为NULL

void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd)

backtrace_symbols_fd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

下面是glibc中的实例（稍有修改）：

1 #include 2 #include 3 #include 4 5 /* Obtain a backtrace and print it to @code{stdout}. */ 6 void print_trace (void) 7 { 8 void * array[10]; 9 size_t size;10 char ** strings;11 size_t i;12 13 size = backtrace(array, 10);14 strings = backtrace_symbols (array, size);15 if (NULL == strings)16 {17 perror("backtrace_synbols");18 Exit(EXIT_FAILURE);19 }20 21 printf ("Obtained %zd stack frames.\n", size);22 23 for (i = 0; i < size; i++)24 printf ("%s\n", strings[i]);25 26 free (strings);27 　 strings = NULL;28 }29 30 /* A dummy funcTIon to make the backtrace more interesTIng. */31 void dummy_funcTIon (void)32 {33 print_trace ();34 }35 36 int main (int argc, char *argv[])37 {38 dummy_funcTIon ();39 return 0; 40 }

输出如下：

Obtained 4 stack frames.
./execinfo() [0x80484dd]
./execinfo() [0x8048549]
./execinfo() [0x8048556]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3) [0x70a113]

我们还可以利用这backtrace来定位段错误位置。

通常情况系，程序发生段错误时系统会发送SIGSEGV信号给程序，缺省处理是退出函数。我们可以使用 signal(SIGSEGV, &your_function);函数来接管SIGSEGV信号的处理，程序在发生段错误后，自动调用我们准备好的函数，从而在那个函数里来获取当前函数调用栈。

举例如下：

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 7 void dump(int signo) 8 { 9 void *buffer[30] = {0};10 size_t size;11 char **strings = NULL;12 size_t i = 0;13 14 size = backtrace(buffer, 30);15 fprintf(stdout, "Obtained %zd stack frames.nm\n", size);16 strings = backtrace_symbols(buffer, size);17 if (strings == NULL)18 {19 perror("backtrace_symbols.");20 exit(EXIT_FAILURE);21 }22 23 for (i = 0; i < size; i++)24 {25 fprintf(stdout, "%s\n", strings[i]);26 }27 free(strings);28 strings = NULL;29 exit(0);30 }31 32 void func_c()33 {34 *((volatile char *)0x0) = 0x9999;35 }36 37 void func_b()38 {39 func_c();40 }41 42 void func_a()43 {44 func_b();45 }46 47 int main(int argc, const char *argv[])48 {49 if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)50 perror("can't catch SIGSEGV");51 func_a();52 return 0;53 }

编译程序：
gcc -g -rdynamic test.c -o test; ./test
输出如下：

Obtained6stackframes.nm
./backstrace_debug(dump+0x45)[0x80487c9]
[0x468400]
./backstrace_debug(func_b+0x8)[0x804888c]
./backstrace_debug(func_a+0x8)[0x8048896]
./backstrace_debug(main+0x33)[0x80488cb]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3)[0x129113]

接着：
objdump -d test > test.s
在test.s中搜索804888c如下：

8048884 :
8048884: 55 push %ebp
8048885: 89 e5 mov %esp, %ebp
8048887: e8 eb ff ff ff call 8048877
804888c: 5d pop %ebp
804888d: c3 ret

其中80488c时调用（call 8048877）C函数后的地址，虽然并没有直接定位到C函数，通过汇编代码， 基本可以推出是C函数出问题了（pop指令不会导致段错误的）。
我们也可以通过addr2line来查看

addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f

输出：

func_b
/home/astrol/c/backstrace_debug.c:57