Linux上Core Dump文件的形成和分析

2021-09-11 21:58:28

原文：

http://baidutech.blog.51cto.com/4114344/904419

Core，又称之为Core Dump文件，是Unix/Linux操作系统的一种机制，对于线上服务而言，Core令人闻之色变，因为出Core的过程意味着服务暂时不能正常响应，需要恢复，并且随着吐Core进程的内存空间越大，此过程可能持续很长一段时间（例如当进程占用60G+以上内存时，完整Core文件需要15分钟才能完全写到磁盘上），这期间产生的流量损失，不可估量。

凡事皆有两面性，OS在出Core的同时，虽然会终止掉当前进程，但是也会保留下第一手的现场数据，OS仿佛是一架被按下快门的相机，而照片就是产出的Core文件。里面含有当进程被终止时内存、CPU寄存器等信息，可以供后续开发人员进行调试。

关于Core产生的原因很多，比如过去一些Unix的版本不支持现代Linux上这种GDB直接附着到进程上进行调试的机制，需要先向进程发送终止信号，然后用工具阅读core文件。在Linux上，我们就可以使用kill向一个指定的进程发送信号或者使用gcore命令来使其主动出Core并退出。如果从浅层次的原因上来讲，出Core意味着当前进程存在BUG，需要程序员修复。从深层次的原因上讲，是当前进程触犯了某些OS层级的保护机制，逼迫OS向当前进程发送诸如SIGSEGV(即signal 11)之类的信号, 例如访问空指针或数组越界出Core，实际上是触犯了OS的内存管理，访问了非当前进程的内存空间，OS需要通过出Core来进行警示，这就好像一个人身体内存在病毒，免疫系统就会通过发热来警示，并导致人体发烧是一个道理（有意思的是，并不是每次数组越界都会出Core，这和OS的内存管理中虚拟页面分配大小和边界有关，即使不出Core，也很有可能读到脏数据，引起后续程序行为紊乱，这是一种很难追查的BUG）。

说了这些，似乎感觉Core很强势，让人感觉缺乏控制力，其实不然。控制Core产生的行为和方式，有两个途径：

1.修改/proc/sys/kernel/core_pattern文件，此文件用于控制Core文件产生的文件名，默认情况下，此文件内容只有一行内容：“core”，此文件支持定制，一般使用%配合不同的字符，这里罗列几种：

%p  出Core进程的PID

%u  出Core进程的UID

%s  造成Core的signal号

%t  出Core的时间，从1970-01-0100:00:00开始的秒数

%e  出Core进程对应的可执行文件名

2.Ulimit –C命令，此命令可以显示当前OS对于Core文件大小的限制，如果为0，则表示不允许产生Core文件。如果想进行修改，可以使用：

Ulimit –cn

其中n为数字，表示允许Core文件体积的最大值，单位为Kb，如果想设为无限大，可以执行：

Ulimit -cunlimited

产生了Core文件之后，就是如何查看Core文件，并确定问题所在，进行修复。为此，我们不妨先来看看Core文件的格式，多了解一些Core文件。

首先可以明确一点，Core文件的格式ELF格式，这一点可以通过使用readelf -h命令来证实，如下图：

从读出来的ELF头信息可以看到，此文件类型为Core文件，那么readelf是如何得知的呢？可以从下面的数据结构中窥得一二：

其中当值为4的时候，表示当前文件为Core文件。如此，整个过程就很清楚了。

了解了这些之后，我们来看看如何阅读Core文件，并从中追查BUG。在Linux下，一般读取Core的命令为：

gdb exec_file core_file

使用GDB，先从可执行文件中读取符号表信息，然后读取Core文件。如果不与可执行文件搅合在一起可以吗？答案是不行，因为Core文件中没有符号表信息，无法进行调试，可以使用如下命令来验证：

Objdump –x core_file | tail

我们看到如下两行信息：

SYMBOL TABLE:

no symbols

表明当前的ELF格式文件中没有符号表信息。

为了解释如何看Core中信息，我们来举一个简单的例子：

#include “stdio.h”

int main(){

int stack_of[100000000];

int b=1;

int* a;

*a=b;

}

这段程序使用gcc –g a.c –o a进行编译，运行后直接会Core掉，使用gdb a core_file查看栈信息，可见其Core在了这行代码：

int stack_of[100000000];

原因很明显，直接在栈上申请如此大的数组，导致栈空间溢出，触犯了OS对于栈空间大小的限制，所以出Core（这里是否出Core还和OS对栈空间的大小配置有关，一般为8M）。但是这里要明确一点，真正出Core的代码不是分配栈空间的int stack_of[100000000]，而是后面这句int b=1, 为何？出Core的一种原因是因为对内存的非法访问，在上面的代码中分配数组stack_of时并未访问它，但是在其后声明变量并赋值，就相当于进行了越界访问，继而出Core。为了解释得更详细些，让我们使用gdb来看一下出Core的地方，使用命令gdb a core_file可见：

可知程序出现了段错误“Segmentation fault”，代码是int b=1这句。我们来查看一下当前的栈信息：

其中可见指令指针rip指向地址为0×400473, 我们来看下当前的指令是什么：

这条movl指令要把立即数1送到0xffffffffe8287bfc(%rbp)这个地址去，其中rbp存储的是帧指针，而0xffffffffe8287bfc很明显是一个负数，结果计算为-400000004。这就可以解释了：其中我们申请的int stack_of[100000000]占用400000000字节，b是int类型，占用4个字节，且栈空间是由高地址向低地址延伸，那么b的栈地址就是0xffffffffe8287bfc(%rbp)，也就是$rbp-400000004。当我们尝试访问此地址时：

可以看到无法访问此内存地址，这是因为它已经超过了OS允许的范围。

下面我们把程序进行改进：

#include “stdio.h”

int main(){

int* stack_of = malloc(sizeof(int)*100000000);

int b=1;

int* a;

*a=b;

}

使用gcc –O3 –g a.c –o a进行编译,运行后会再次Core掉，使用gdb查看栈信息，请见下图：

可见BUG出在第7行，也就是*a=b这句，这时我们尝试打印b的值，却发现符号表中找不到b的信息。为何？原因在于gcc使用了-O3参数，此参数可以对程序进行优化，一个负面效应是优化过程中会舍弃部*部变量，导致调试时出现困难。在我们的代码中，b声明时即赋值，随后用于为*a赋值。优化后，此变量不再需要，直接为*a赋值为1即可，如果汇编级代码上讲，此优化可以减少一条MOV语句，节省一个寄存器。

此时我们的调试信息已经出现了一些扭曲，为此我们重新编译源程序，去掉-O3参数（这就解释了为何一些大型软件都会有debug版本存在，因为debug是未经优化的版本，包含了完整的符号表信息，易于调试），并重新运行，得到新的core并查看，如下图：

这次就比较明显了，b中的值没有问题，有问题的是a，其指向的地址是非法区域，也就是a没有分配内存导致的Core。当然，本例中的问题其实非常明显，几乎一眼就能看出来，但不妨碍它成为一个例子，用来解释在看Core过程中，需要注意的一些问题。

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