嵌入式C代碼調試利器——backtrace
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2024-04-17 08:00
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backtrace基本原理
大家好，我是bug菌~
backtrace英譯為回溯的意思，這聽起來有點專業(yè)了，其實大部分搞嵌入式的朋友都有聽說過函數(shù)調用棧callstack。而backtrace說白了就是我們呈現(xiàn)函數(shù)調用關系的一項功能。
所以backtrace調試功能的實現(xiàn)原理基于函數(shù)調用棧的概念。
那什么是函數(shù)調用棧呢？
函數(shù)調用棧是一個記錄程序中函數(shù)調用關系的數(shù)據(jù)結構，它在程序運行時動態(tài)生成和維護。當程序執(zhí)行函數(shù)調用時，它將當前函數(shù)的返回地址和一些其他信息壓入堆棧中，并跳轉到被調用的函數(shù)執(zhí)行。當被調用函數(shù)執(zhí)行完畢后，它將返回地址彈出堆棧，并跳回到調用函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。
backtrace調試功能的實現(xiàn)原理就是利用函數(shù)調用棧中的信息來追蹤程序執(zhí)行的路徑和調用關系。當程序出現(xiàn)錯誤或崩潰時，backtrace可以通過分析函數(shù)調用棧信息來確定出錯的位置和原因。
在Linux系統(tǒng)中，backtrace通常是通過使用調試器比如我們常用的gdb來實現(xiàn)的。調試器會在程序執(zhí)行時，動態(tài)地獲取函數(shù)調用棧信息，并將其保存在調試器的內部數(shù)據(jù)結構中。當程序出現(xiàn)錯誤或崩潰時，調試器就可以利用保存的函數(shù)調用棧信息來進行backtrace操作。
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backtrace功能
而對于backtrace這個功能在不同的平臺和開發(fā)環(huán)境中的使用是不同的.
比如在我們平時的linux環(huán)境中:可以使用glibc提供的backtrace()函數(shù)實現(xiàn)backtrace功能。該函數(shù)通過解析函數(shù)調用棧信息獲取函數(shù)名、參數(shù)和返回地址等信息，并將其打印到標準輸出或指定的文件中。
此外，還可以使用gdb或libunwind庫來實現(xiàn)backtrace功能。gdb是一個強大的調試器，可以實時追蹤程序的執(zhí)行，獲取程序的調用棧信息，并提供各種調試工具和命令。
而其中的libunwind則是一個開源的C/C++庫，也可以用于在運行時獲取當前程序的調用棧信息，并且在不同的平臺和架構上運行，并提供了簡單易用的API接口，同樣也是非常方便的。
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glibc下的backtrace功能使用
glibc提供了backtrace函數(shù)，可以用來獲取當前程序的調用棧信息，使用方法如下：
包含頭文件：
#include <execinfo.h>定義一個數(shù)組，用于存儲回溯信息：
#define BT_BUF_SIZE 100
void *bt_buffer[BT_BUF_SIZE];
該數(shù)組用于存儲backtrace信息，數(shù)組大小可以根據(jù)需要進行調整。
3. 調用backtrace函數(shù)：
int bt_size = backtrace(bt_buffer, BT_BUF_SIZE);該函數(shù)會獲取當前程序的調用棧信息，并將其存儲在bt_buffer數(shù)組中。bt_size表示實際獲取到的調用棧信息的條數(shù)，該值不會超過BT_BUF_SIZE。
4. 使用backtrace_symbols函數(shù)將backtrace信息轉換成字符串：
char **bt_strings = backtrace_symbols(bt_buffer, bt_size);該函數(shù)將backtrace信息轉換成字符串數(shù)組，每個字符串表示一個調用棧信息。bt_strings指向字符串數(shù)組的首地址，需要在使用完畢后手動釋放內存。
5. 打印回溯信息：
for (int i = 0; i < bt_size; i++) {
printf("%!s(MISSING)\n", bt_strings[i]);
}該代碼會將回溯信息打印到標準輸出中，可以根據(jù)需要進行調整。完整的使用示例代碼如下：
#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define BT_BUF_SIZE 100
void print_backtrace() {
void *bt_buffer[BT_BUF_SIZE];
int bt_size = backtrace(bt_buffer, BT_BUF_SIZE);
char **bt_strings = backtrace_symbols(bt_buffer, bt_size);
printf("backtrace:\n");
for (int i = 0; i < bt_size; i++) {
printf("%!s(MISSING)\n", bt_strings[i]);
}
free(bt_strings);
}
int func_c() {
print_backtrace();
return 0;
}
int func_b() {
return func_c();
}
int func_a() {
return func_b();
}
int main() {
return func_a();
}該程序會輸出調用棧信息，格式如下：
backtrace:
./backtrace_demo(func_c+0x16) [0x40069a]
./backtrace_demo(func_b+0xd) [0x4006c5]
./backtrace_demo(func_a+0xd) [0x4006e0]
./backtrace_demo(main+0xe) [0x4006f6]
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf1) [0x7f6a69e2b1c1]
./backtrace_demo(_start+0x2a) [0x400529]其中每一行表示一個調用棧信息，格式為"函數(shù)名+偏移量+[地址]"。
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gdb的backtrace功能
在Linux下進行嵌入式開發(fā)，backtrace通常是通過使用調試器來實現(xiàn)的，這樣的話，gdb都跟你封裝成了相應的命令，使用起來也簡單很多。
下面以gdb為例來介紹如何使用backtrace：
1、編譯程序時添加-g選項，以在可執(zhí)行文件中包含調試信息。因為backtrace函數(shù)需要獲取調用棧信息，因此需要包含符號信息。如果使用了-g選項進行編譯，則可以保證符號信息的完整性，如果沒有使用-g選項編譯程序，則可能會出現(xiàn)獲取不到符號信息的情況，導致backtrace函數(shù)無法正常工作。
例如，使用gcc編譯時可以添加-g選項：
gcc -g -o program program.c
gdb program
(gdb) break main
(gdb) run
(gdb) backtrace5
跟蹤的準確性
在實現(xiàn)backtrace功能時，還需要注意一些細節(jié)問題。例如，需要注意函數(shù)調用棧的深度和堆棧溢出等問題，以及需要保證backtrace操作的可靠性和準確性，下面簡單聊聊如下三個值得注意的方面:
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優(yōu)化選項：程序使用了-O選項進行優(yōu)化時，可能會改變函數(shù)調用棧的結構，從而使backtrace函數(shù)獲取到的信息不完整或不準確。因此，在使用backtrace函數(shù)時，建議關閉優(yōu)化選項，以保證其可靠性。 -
棧溢出：如果程序發(fā)生棧溢出，可能會破壞調用棧信息，導致backtrace函數(shù)獲取到的信息不完整或不準確。因此，在程序中應該避免出現(xiàn)棧溢出的情況，以保證backtrace函數(shù)的可靠性。 -
線程安全：如果程序使用多線程，每個線程都有自己的調用棧，因此需要在每個線程中分別調用backtrace函數(shù)來獲取相應的調用棧信息。此外，在多線程環(huán)境下，需要注意避免競爭條件的出現(xiàn)，以保證backtrace函數(shù)的可靠性。
總之，在使用glibc提供的backtrace函數(shù)時，需要注意編譯選項、優(yōu)化選項、棧溢出和線程安全等因素，以保證其可靠性。此外，不同的硬件平臺和操作系統(tǒng)可能有不同的backtrace實現(xiàn)方式和接口，需要使用相應的工具和API來實現(xiàn)。