Linux调用栈获取分析及实现

写一下关于函数调用栈的一些相关知识，对于在Linux下面进行c/c++开发，在问题定位时 查看调用栈信息是一个非常常用的定位方法，因为根据调用关系，可以知道程序的执行流程是什么样子。如果 不能查看调用栈，光知道程序在某个函数出错，还是比较难定位，假如这个函数在很多地方被调用，就很难知道是由于什么场景导致错误发生的。所以通过查看调用栈，就可以知道调用关系，当然就知道是什么场景导致问题发生。

在gdb里面常用的命令式：bt 或全称“backtrace”就可以打印出当前函数执行的调用栈。如下面程序

(gdb) bt

#0 0x080486da in func_3 ()

#1 0x08048766 in func_int ()

#2 0x080487ae in func_str ()

#3 0x080487ff in main ()

前面数字式层次关系，#0表示最上面，即当前函数。除了第0层前面的地址表示是当前pc值，其他地址信息都表示函数调用的返回地址，例如上面:func_int() -->func_3() ，func_3执行完成后，接着会执行0x08048766地址的指令。

上面简单介绍了一下Linux下面通过调用栈来定位问题，但调用栈的获取原理，以及如何获取，估计还是有些人会不知道的。之所以要介绍这个，因为对于一些大型系统，完善的日志功能是必不可少的，否则系统出了问题，没有相关日志，是非常痛苦的。尤其是在某些环境下，如电信领域，大多数是服务器或应用程序都是跑在单板上，出现问题了，不会像我们调试小程序那样直接用gdb进行调试。虽然某些情况下可以使用gdb attach上出问题的进程，但大多数服务器单板没有相关调试工具。所以要定位问题，基本上都是通过分析日志。还有一种情况，就是那种随机性问题，如果没有日志，那就更加痛苦了，就算你能够使用gdb也无能为力。所以log重要，但是log中通常需要记录哪些信息呢？通常情况会保护函数调用出错时，把传入该函数的参数信息，或者一些关键全局变量信息，有些时候会记录日期，对于服务器程序，日期一般都会记录。另外还有一个也相对重要的就是调用栈信息。

所以下面来介绍一下获取调用栈的原理和方法：

在Linux+x86环境，c语言函数调用时，下面介绍一下c函数是怎么压栈的：栈是从高地址向下低地址移动。通常一个函数中会有参数，局部变量等相关信息，这些信息是通过下面原则分配栈的：

1、栈的信息排布为：先是局部变量存放，调用函数返回值存放，然后是调用其它函数参数函数，

如下面程序：
  int B(int c, int d)
 {
	return c+d;
 }
 
 int A(int a, int b)
 {
	int c = 0xff, d = 0xffff;
	return B(c, d);
 }
 
 通过objdump -d 命令可以查看反汇编指令
 反汇编出来后如下：
 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                      ret

00000084 <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
 
 从上面反汇编可以看出，在A调用B时，A的调用栈布局信息如下，
高地址:  |---------|
		 |   ebp   |<--|  push   %ebp  -------------A-----------------
		 |---------|   |
		 |   c     |   |  movl   $0xff,-0x4(%ebp)   ;A函数局部变量 c
		 |---------|   |
		 |   d     |   |  movl   $0xffff,-0x8(%ebp) ;A函数局部变量 d
		 |---------|   |
		 |         |   |
		 |---------|   |
		 |         |   |
		 |---------|   |
  c+%ebp|   d     |   |  mov    %eax,0x4(%esp)    ;A调用B函数时，准备好参数d
		 |---------|   |
  8+%ebp|   c     |   |  mov    %eax,(%esp)       ;A调用B函数时，准备好参数c
		 |---------|   |<----%esp      -------------A----------------
  4+%ebp| retaddr |   | A 调用B的返回地址，在执行call指令时，指令自动把call指令下一条压入这个地方。
		 |---------|   |
  %ebp->|  ebp    |---  对应于执行B函数 :push %ebp时，把在A函数运行时的ebp保存到该位置中。
		 |---------|
 低地址:

后面B在执行mov 0xc(%ebp),%eax时，简单用语言描述一下函数调用过程，就那上A调用B来说，首先A函数准备好参数，即把局部变量c，d放到栈上，然后执行call B(call a6 <A+0x22>)指令，call指令执行时默认会把当前指令的下一条指令压入栈中，然后执行B函数第一条指令即（push %ebp)，所以当执行到B函数push %ebp时，栈的信息就是上面那种样子了。 知道一般程序是怎么压栈的，并且A函数调用B函数会把A函数中调用B函数的那条call指令的下一条指令压栈栈中，通常情况一个函数第一条指令都是push
%ebp, 功能是保存调用函数栈帧，第2条指令时mov %esp , %ebp，即把esp赋值给ebp，即初始化当前函数栈帧。 在执行过程中，函数调用首先指向call执行，然后执行被调用者第一条指令(push %ebp)，c语言函数调用通常都是这样情况的，而call指令又一个隐藏动作就是把下一指令（返回地址）压栈。所以在栈里面排布就是

---------
 | ret_addr|
 |---------| 
 |   ebp   |  
 |---------| 
		 
 我们再看一下第二条指令，mov %esp , %ebp ， 初始化当前函数栈帧。最终结果如下
  ---------
 | ret_addr|   |
 |---------|   |
 |    ebp  |---/   
 |---------|<--|
 |   ...   |   |
 |---------|   |
 | ret_addr|   |
 |---------|   |
 |  ebp    |---/
 |---------|<--| 
 |  ...    |   |
 |---------|   |		 
 | ret_addr|   |
 |---------|   |
 |   ebp   |---/
 |---------|---|

所以我们只要知道当前%epb的值，就可以通过上面那种图示方法进行调用栈分析了。有人会问为什么libc有函数实现了，自己就没有必要了，但libc只提供获取当前线程的调用栈信息，有些时候需要获取其他线程的调用栈信息，这个时候就需要自己分析实现了，总体思路一样，只需要获取到其它线程的%ebp信息即可，但通常情况在用户态是不能够获取%ebp寄存器的，可以借助内存模块来实现。

下面写的一个小程序，一种方法使用libc库里面backtrace函数实现，还有一种就是自己通过分析调用栈信息来实现。

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

/* 获取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;

	   /* 通过调用libc函数实现 */
       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]);

	   /* 自己实现 */
	   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;
}

程序编译加上-rdynaminc

否则获取调用栈只有地址，没有函数名信息。

运行结果：

./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]:0x8048401

my: 0x804858a

my: 0x80485ea

my: 0x8048632

my: 0x8048683

my: 0xb7dd5bd6