系統程式設計師成長計畫像機器一樣思考二

誰在call我-backtrace的實現原理

顯示函式呼叫關係(backtrace/callstack)是偵錯程式必備的功能之一，比如在gdb裡，用bt命令就可以檢視backtrace。在程式崩潰的時候，函式呼叫關係有助於快速定位問題的根源，了解它的實現原理，可以擴充自己的知識面，在沒有偵錯程式的情況下，也能實現自己backtrace。更重要的是，分析backtrace的實現原理很有意思。現在我們一起來研究一下：

glibc提供了乙個backtrace函式，這個函式可以幫助我們獲取當前函式的backtrace，先看看它的使用方法，後面我們再仿照它寫乙個。

#include #include #include #define max_level 4 
static void test2()
; 	int size = backtrace(buffer, max_level); 
for(i = 0; i < size; i++)
return;
} static void test1()
static void test()
int main(int argc, char* argv)

編譯執行它：

gcc -g -wall bt_std.c -o bt_std

./bt_std

螢幕列印：

called by 0×8048440

called by 0×804848a

called by 0×80484ab

called by 0×80484c9

上面列印的是呼叫者的位址，對程式設計師來說不太直觀，glibc還提供了另外乙個函式backtrace_symbols，它可以把這些位址轉換成源**的位置(通常是函式名)。不過這個函式並不怎麼好用，特別是在沒有除錯資訊的情況下，幾乎得不什麼有用的資訊。這裡我們使用另外乙個工具addr2line來實現位址到源**位置的轉換：

執行：./bt_std |awk 『』>t.sh;. t.sh;rm -f t.sh

螢幕列印：

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt_std.c:12

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt_std.c:28

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt_std.c:39

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt_std.c:48

backtrace是如何實現的呢？在x86的機器上，函式呼叫時，棧中資料的結構如下：

---------------------------------------------

引數n引數… 函式引數入棧的順序與具體的呼叫方式有關

引數 3

引數 2

引數 1

---------------------------------------------

ebp 儲存呼叫者的ebp，然後ebp指向此時的棧頂。

----------------新的ebp指向這裡---------------

臨時變數1

臨時變數2

臨時變數3

臨時變數…

臨時變數5

---------------------------------------------

呼叫時，先把被調函式的引數壓入棧中，c語言的壓棧方式是：先壓入最後乙個引數，再壓入倒數第二引數，按此順序入棧，最後才壓入第乙個引數。

然後壓入eip和ebp，此時eip指向完成本次呼叫後下一條指令的位址，這個位址可以近似的認為是函式呼叫者的位址。ebp是呼叫者和被調函式之間的分界線，分界線之上是呼叫者的臨時變數、被調函式的引數、函式返回位址(eip)，和上一層函式的ebp，分界線之下是被調函式的臨時變數。

最後進入被調函式，並為它分配臨時變數的空間。gcc不同版本的處理是不一樣的，對於老版本的gcc(如gcc3.4)，第乙個臨時變數放在最高的位址，第二個其次，依次順序分布。而對於新版本的gcc(如gcc4.3)，臨時變數的位置是反的，即最後乙個臨時變數在最高的位址，倒數第二個其次，依次順序分布。

為了實現backtrace，我們需要：

1.獲取當前函式的ebp。

2.通過ebp獲得呼叫者的eip。

3.通過ebp獲得上一級的ebp。

4.重複這個過程，直到結束。

通過嵌入彙編**，我們可以獲得當前函式的ebp，不過這裡我們不用彙編，而且通過臨時變數的位址來獲得當前函式的ebp。我們知道，對於gcc3.4生成的**，當前函式的第乙個臨時變數的下乙個位置就是ebp。而對於gcc4.3生成的**，當前函式的最後乙個臨時變數的下乙個位置就是ebp。

有了這些背景知識，我們來實現自己的backtrace:

#ifdef new_gcc
#define offset 4
#else
#define offset 0
#endif/*new_gcc*/ 
int backtrace(void** buffer, int size)
return size;
}

對於老版本的gcc，offset定義為0，此時p+1就是ebp，而p[1]就是上一級的ebp，p[2]是呼叫者的eip。本函式總共有5個int的臨時變數，所以對於新版本gcc， offset定義為5，此時p+5就是ebp。在乙個迴圈中，重複取上一層的ebp和eip，最終得到所有呼叫者的eip，從而實現了backtrace。

現在我們用完整的程式來測試一下(bt.c)：

#include #define max_level 4
#ifdef new_gcc
#define offset 4
#else
#define offset 0
#endif/*new_gcc*/ 
int backtrace(void** buffer, int size)
return size;
} static void test2()
; 	backtrace(buffer, max_level); 
for(i = 0; i < max_level; i++)
return;
} static void test1()
static void test()
int main(int argc, char* argv)

寫個簡單的makefile:

cflags=-g -wall
all:
gcc34 $(cflags) bt.c -o bt34
gcc $(cflags) -dnew_gcc  bt.c -o bt
gcc $(cflags) bt_std.c -o bt_std 
clean:
rm -f bt bt34 bt_std

編譯然後執行：

make

./bt|awk 『』>t.sh;. t.sh;

螢幕列印：

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt.c:37

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt.c:51

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt.c:62

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt.c:71

對於可執行檔案，這種方法工作正常。對於共享庫，addr2line無法根據這個位址找到對應的源**位置了。原因是：addr2line只能通過位址偏移量來查詢，而列印出的位址是絕對位址。由於共享庫載入到記憶體的位置是不確定的，為了計算位址偏移量，我們還需要程序maps檔案的幫助：

通過程序的maps檔案(/proc/程序號/maps)，我們可以找到共享庫的載入位置，如：

…00c5d000-00c5e000 r-xp 00000000 08:05 2129013 /home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/libbt_so.so

00c5e000-00c5f000 rw-p 00000000 08:05 2129013 /home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/libbt_so.so

…libbt_so.so的**段載入到0×00c5d000-0×00c5e000，而backtrace列印出的位址是：

called by 0xc5d4eb

called by 0xc5d535

called by 0xc5d556

called by 0×80484ca

addr2line 0×4eb -f -s -e ./libbt_so.so

螢幕列印：

/home/work/mine/sysprog/think-in-compway/backtrace/bt_so.c:38

棧裡的資料很有意思，在上一節中，通過分析棧裡的資料，我們了解了變參函式的實現原理。在這一節中，通過分析棧裡的資料，我們又學到了backtrace的實現原理。

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