Linux調用棧擷取分析及實現

   寫一下關於函數調用棧的一些相關知識，對於在Linux下面進行c/c++開發，在問題定位時 查看調用棧資訊是一個非常常用的定位方法，因為根據調用關係，可以知道程式的執行流程是什麼樣子。如果 不能查看調用棧，光知道程式在某個函數出錯，還是比較難定位，假如這個函數在很多地方被調用，就很難知道是由於什麼情境導致錯誤發生的。所以通過查看調用棧，就可以知道調用關係，當然就知道是什麼情境導致問題發生。

   在gdb裡面常用的命令式：bt 或全稱“backtrace”就可以列印出當前函數執行的調用棧。如下面程式
   (gdb) bt
#0  0x080486da in func_3 ()
#1  0x08048766 in func_int ()
#2  0x080487ae in func_str ()
#3  0x080487ff in main ()
前面數字式層次關係，#0表示最上面，即當前函數。除了第0層前面的地址表示是當前pc值，其他地址資訊都表示函數調用的返回地址，例如上面:func_int() -->func_3() ，func_3執行完成後，接著會執行0x08048766地址的指令。

上面簡單介紹了一下Linux下面通過調用棧來定位問題，但調用棧的擷取原理，以及如何擷取，估計還是有些人會不知道的。之所以要介紹這個，因為對於一些大型系統，完善的日誌功能是必不可少的，否則系統出了問題，沒有相關日誌，是非常痛苦的。尤其是在某些環境下，如電信領域，大多數是伺服器或應用程式都是跑在單板上，出現問題了，不會像我們調試小程式那樣直接用gdb進行調試。雖然某些情況下可以使用gdb attach上出問題的進程，但大多數伺服器單板沒有相關調試工具。所以要定位問題，基本上都是通過分析日誌。還有一種情況，就是那種隨機性問題，如果沒有日誌，那就更加痛苦了，就算你能夠使用gdb也無能為力。所以log重要，但是log中通常需要記錄哪些資訊呢？通常情況會保護函數調用出錯時，把傳入該函數的參數資訊，或者一些關鍵全域變數資訊，有些時候會記錄日期，對於伺服器程式，日期一般都會記錄。另外還有一個也相對重要的就是調用棧資訊。

所以下面來介紹一下擷取調用棧的原理和方法：
在Linux+x86環境，c語言函數調用時，下面介紹一下c函數是怎麼壓棧的：棧是從高地址向下低地址移動。通常一個函數中會有參數，局部變數等相關資訊，這些資訊是通過下面原則分配棧的：
1、棧的資訊排布為：先是局部變數存放，調用函數傳回值存放，然後是調用其它函數參數函數，

如下面程式：  int B(int c, int d) {return c+d; }  int A(int a, int b) {int c = 0xff, d = 0xffff;return B(c, d); }  通過objdump -d 命令可以查看反組譯碼指令 反組譯碼出來後如下： 00000079 <B>:  79:   55                      push   %ebp  7a:   89 e5                   mov    %esp,%ebp  7c:   8b 45 0c                mov    0xc(%ebp),%eax  7f:   03 45 08                add    0x8(%ebp),%eax  82:   5d                      pop    %ebp  83:   c3                      ret00000084 <A>:  84:   55                      push   %ebp  85:   89 e5                   mov    %esp,%ebp  87:   83 ec 18                sub    $0x18,%esp  8a:   c7 45 fc ff 00 00 00    movl   $0xff,-0x4(%ebp)  91:   c7 45 f8 ff ff 00 00    movl   $0xffff,-0x8(%ebp)  98:   8b 45 f8                mov    -0x8(%ebp),%eax  9b:   89 44 24 04             mov    %eax,0x4(%esp)  9f:   8b 45 fc                mov    -0x4(%ebp),%eax  a2:   89 04 24                mov    %eax,(%esp)  a5:   e8 fc ff ff ff          call   a6 <A+0x22>  aa:   c9                      leave  ab:   c3                      ret  從上面反組譯碼可以看出，在A調用B時，A的調用棧布局資訊如下，高地址:  |---------| |   ebp   |<--|  push   %ebp  -------------A----------------- |---------|   | |   c     |   |  movl   $0xff,-0x4(%ebp)   ;A函數局部變數 c |---------|   | |   d     |   |  movl   $0xffff,-0x8(%ebp) ;A函數局部變數 d |---------|   | |         |   | |---------|   | |         |   | |---------|   |  c+%ebp|   d     |   |  mov    %eax,0x4(%esp)    ;A調用B函數時，準備好參數d |---------|   |  8+%ebp|   c     |   |  mov    %eax,(%esp)       ;A調用B函數時，準備好參數c |---------|   |<----%esp      -------------A----------------  4+%ebp| retaddr |   | A 調用B的返回地址，在執行call指令時，指令自動把call指令下一條壓入這個地方。 |---------|   |  %ebp->|  ebp    |---  對應於執行B函數 :push %ebp時，把在A函數運行時的ebp儲存到該位置中。 |---------| 低地址:
後面B在執行mov    0xc(%ebp),%eax時，簡單用語言描述一下函數調用過程，就那上A調用B來說，首先A函數準備好參數，即把局部變數c，d放到棧上，然後執行call B(call   a6 <A+0x22>)指令，call指令執行時預設會把當前指令的下一條指令壓入棧中，然後執行B函數第一條指令即（push %ebp)，所以當執行到B函數push %ebp時，棧的資訊就是上面那種樣子了。  知道一般程式是怎麼壓棧的，並且A函數調用B函數會把A函數中調用B函數的那條call指令的下一條指令壓棧棧中，通常情況一個函數第一條指令都是push
 %ebp, 功能是儲存調用函數棧幀，第2條指令時mov %esp , %ebp，即把esp賦值給ebp，即初始化當前函數棧幀。  在執行過程中，函數調用首先指向call執行，然後執行被調用者第一條指令(push %ebp)，c語言函數調用通常都是這樣情況的，而call指令又一個隱藏動作就是把下一指令（返回地址）壓棧。所以在棧裡面排布就是
  --------- | ret_addr| |---------|  |   ebp   |   |---------|   我們再看一下第二條指令，mov %esp , %ebp ， 初始化當前函數棧幀。最終結果如下  --------- | ret_addr|   | |---------|   | |    ebp  |---/    |---------|<--| |   ...   |   | |---------|   | | ret_addr|   | |---------|   | |  ebp    |---/ |---------|<--|  |  ...    |   | |---------|   |  | ret_addr|   | |---------|   | |   ebp   |---/ |---------|---| 
所以我們只要知道當前%epb的值，就可以通過上面那種圖示方法進行調用棧分析了。有人會問為什麼libc有函數實現了，自己就沒有必要了，但libc只提供擷取當前線程的調用棧資訊，有些時候需要擷取其他線程的調用棧資訊，這個時候就需要自己分析實現了，總體思路一樣，只需要擷取到其它線程的%ebp資訊即可，但通常情況在使用者態是不能夠擷取%ebp寄存器的，可以藉助記憶體模組來實現。
下面寫的一個小程式，一種方法使用libc庫裡面backtrace函數實現，還有一種就是自己通過分析調用棧資訊來實現。
#include <stdio.h>#include <string.h>#include <execinfo.h>/* 擷取ebp寄存器值 */void get_ebp(unsigned long *ebp){        __asm__ __volatile__("mov %%ebp, %0 \r\n"                 :"=m"(*ebp)                 ::"memory");}int my_backtrace(void **stack, int size, unsigned long ebp){        int layer = 0;    while(layer < size && ebp != 0 && *(unsigned long*)ebp != 0 && *(unsigned long *)ebp != ebp)    {            stack[layer++] = *(unsigned long *)(ebp+4);            ebp = *(unsigned long*)ebp;    }    return layer;}int func_3(int a, int b, int c){       void *stack_addr[10];       int layer;       int i;       char **ppstack_funcs;   /* 通過調用libc函數實現 */       layer = backtrace(stack_addr, 10);       ppstack_funcs = backtrace_symbols(stack_addr, layer);       for(i = 0; i < layer; i++)             printf("\n%s:%p\n", ppstack_funcs[i], stack_addr[i]);   /* 自己實現 */   unsigned long ebp = 0;       get_ebp(&ebp);       memset(stack_addr, 0, sizeof(stack_addr));       layer = my_backtrace(stack_addr, 10, ebp);       for(i = 0; i < layer; i++)             printf("\nmy: %p\n", stack_addr[i]); free(ppstack_funcs);     return 3;}int func_int(int a, int b, int c, int d){        int aa,bb,cc;        int ret= func_3(aa,bb,cc);        return (a+ b+ c+ d + ret);}int func_str(){        int a = 1, b = 2;        int ret;        ret = func_int(a, a, b, b);        return ret;}int B(int c, int d){        return c+d;}int A(int a, int b){        int c = 0xff, d = 0xffff;        return B(c, d);}int main(int argc, char *argv[]){        int ret = func_str();        return 0;}
程式編譯加上-rdynaminc
否則擷取調用棧只有地址，沒有函數名資訊。
運行結果：
./exe() [0x80484dd]:0x80484dd./exe() [0x80485ea]:0x80485ea./exe() [0x8048632]:0x8048632./exe() [0x8048683]:0x8048683/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6(__libc_start_main+0xe6) [0xb7dd5bd6]:0xb7dd5bd6./exe() [0x8048401]:0x8048401my: 0x804858amy: 0x80485eamy: 0x8048632my: 0x8048683my: 0xb7dd5bd6