Linux下使用backtrace打印函数调用栈信息

2021-08-13 04:01:55

Java和Python等语言都有比较简便的方法可以打印函数调用栈，那么在Linux下使用C语言有没有办法呢？
据说有多种方法。本文介绍最基本的方法，即使用 glibc 的 backtrace() 和 backtrace_symbols() 等 API.
在 Linux 下，运行 man 命令可以查看到帮助文档。

man 3 backtrace

文档并不长。下面翻译主要部分如下：

首先，需要包含头文件，并看一下相关的3个API的声明：

#include <exeinfo.h>

int backtrace(void **buffer, int size);

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

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

backtrace
backtrace 有 2 个参数，第1个参数实际上是一个 void * 类型的数组，将来所有的 frame 信息都会存在这个数组里；第2个参数 size 的含义是指明该数组的大小。比如，数组大小为5，而实际frames有10层，则只存储最新的 5 个 frames;
backtrace 的返回值的含义是究竟返回了多少层的 frames，比如，size指定为10，而frames只有5层，则返回5；若size指定为5，而frames有10层，则也返回5.
backtrace_symbols
这个函数用来解析每个frame中的函数地址代表的函数名称是什么。它必须要在运行完了上面的 backtrace 函数之后才能用。为什么呢？因为它的第1个参数就是被上面的 backtrace 函数填充了的那个 void * 数组。而它的第2个参数指的是要解析该buffer数组中的几个元素。
该函数的使用有3个注意点：
一、它返回的是一个char *数组，代表函数名数组，但是返回的这个 char ** 必须要被调用者 free 掉，而该char * 数组内的每个 char * 是不能被free的；
二、出错情况下返回 NULL
三、一般情况下，该函数解析不出函数名；只有在编译的时候加了 “-rdynamic” 选项，将来运行时才能解析出函数名。
backtrace_symbols_fd
该函数和 backtrace_symbols 类似，都是把函数地址解析成函数名称。不同点在于，它不会返回任何东西，而是把解析出的函数名称写进第3个参数，即一个文件描述符。
其他
1> 这3个函数只有 backtrace() 是线程安全函数
2> 编译器优化，比如 “-O3”, “-O2” 等，可能会导致调用层次丢失（笔者注：后面给一个例子）
3> inline 函数没有 stack frame ，因此不会被打印出来
4> Tail-call 优化也会导致函数名称的打印丢失

以下给出一个实例程序：

#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define MAX_FRAMES 10

int myfunc1(int);
int myfunc2(int);
int myfunc3(int);

void printCallers()
{
    int layers = 0, i = 0;
    char ** symbols = NULL;
    
    void * frames[MAX_FRAMES];
    memset(frames, 0, sizeof(frames));
    layers = backtrace(frames, MAX_FRAMES);
    for (i=0; i<layers; i++) {
        printf("Layer %d: %p\n", i, frames[i]);
    }
    printf("------------------\n");
    
    symbols = backtrace_symbols(frames, layers);
    if (symbols) {
        for (i=0; i<layers; i++) {
            printf("SYMBOL layer %d: %s\n", i, symbols[i]);
        }
         free(symbols);
    }
    else {
        printf("Failed to parse function names\n");
    }
}


int myfunc1(int a)
{
    int b = a + 5;
    int result = myfunc2(b);
    return result;
}

int myfunc2(int b)
{
    int c = b * 2;
    int result = c + myfunc3(c);
    return result;
}

int myfunc3(int c)
{
    int d = c << 2;
    printCallers();
    d = d/0;
    return d;
}

int main()
{
    int result = 0;
    result = myfunc1(1);
    printf("result = %d\n", result);
    
    return 0;
}

这个程序的调用栈是： _start -> _start_main -> main -> myfunc1 -> myfunc2 -> myfunc3 -> printCallers
所以总共是7层.
另外，因为在 myfunc3 调用 printCallers 之后，执行了一句除以0的操作，会导致引起 coredump.

首先，不加任何优化编译：

gcc -rdynamic test.c

运行结果如下：

./a.out
Layer 0: 0x556a4408ab5f
Layer 1: 0x556a4408ac79
Layer 2: 0x556a4408ac4c
Layer 3: 0x556a4408ac27
Layer 4: 0x556a4408aca5
Layer 5: 0x7f4ecbabf34a
Layer 6: 0x556a4408aa3a
------------------
SYMBOL layer 0: ./a.out(printCallers+0x45) [0x556a4408ab5f]
SYMBOL layer 1: ./a.out(myfunc3+0x1e) [0x556a4408ac79]
SYMBOL layer 2: ./a.out(myfunc2+0x1d) [0x556a4408ac4c]
SYMBOL layer 3: ./a.out(myfunc1+0x1e) [0x556a4408ac27]
SYMBOL layer 4: ./a.out(main+0x19) [0x556a4408aca5]
SYMBOL layer 5: /lib64/libc.so.6(__libc_start_main+0xea) [0x7f4ecbabf34a]
SYMBOL layer 6: ./a.out(_start+0x2a) [0x556a4408aa3a]
Floating point exception (core dumped)

由上可见，函数名以及各层函数名都是可以被打印出来的。
运行 gdb ，打印所有的 bt，然后和上面运行结果中的各个函数地址做对比，就会发现：基本上上面打印出的几个函数地址都是在 bt 里的。
但 printCallers 的地址不在，这是因为，打印的上述信息的时候，printCallers 正在运行中，而执行除以0语句时，printCallers 已经执行完了，所以core dump文件中不会有这个函数的栈帧。

最后，加一点优化试试：

gcc -O3 -rdynamic test.c

运行结果如下：

./a.out
Layer 0: 0x5593d28eab18
Layer 1: 0x5593d28ea9cb
Layer 2: 0x7f6e0a67034a
Layer 3: 0x5593d28ea9fa
------------------
SYMBOL layer 0: ./a.out(printCallers+0x38) [0x5593d28eab18]
SYMBOL layer 1: ./a.out(main+0xb) [0x5593d28ea9cb]
SYMBOL layer 2: /lib64/libc.so.6(__libc_start_main+0xea) [0x7f6e0a67034a]
SYMBOL layer 3: ./a.out(_start+0x2a) [0x5593d28ea9fa]
Illegal instruction (core dumped)

由以上可见，在编译器做了优化之后，在实际运行中所出现的函数调用栈可能比原先想象中少了几层，更加简单。

最后，想要用 C 语言在 Linux 下打印调用栈信息，除了本文介绍的方法以外，还可以使用　libunwind．就不在本文介绍范围内了。
此外，如果不是C而是C++程序，则需要做 demangling 处理，也会略有麻烦。

（完）

码农公寓

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