深入理解Android NDK日志符号化

为了进行代码及产品保护，几乎所有的非开源App都会进行代码混淆，这样当收集到崩溃信息后，就需 要进行符号化来还原代码信息，以便开发者可以定位Bug。基于使用SDK和NDK的不同，Android的崩溃分为两类：Java崩溃和C/C++崩溃。Java崩溃通过mapping.txt文件进行符号化，比较简单直观，而C/C++崩溃的符号化则需要使用Google自带的一些NDK工具，比如ndk-stack、addr2line、objdump等。本文不去讨论如何使用这些工具，有兴趣的朋友可以参考同事写的另一篇文章《如何定位Android NDK开发中遇到的错误》，里面做了详细的描述。基于NDK的Android的开发都会生成一个动态链接库(so)，它是基于C/C++编译生成的。动态链接库在Linux系统下广泛使用，而Android系统底层是基于Linux的，所以NDK so库的编译生成遵循相同的规则，只不过Google NDK把相关的交叉编译工具都封装了。 Ndk-build编译时会生成的两个同名的so库，位于不同的目录/projectpath/libs/armeabi/xxx.so和/project path/obj/local/armeabi/xxx.so，比较两个so文件会发现体积相差很大。前者会跟随App一起发布，所以尽可能的小，而后者包含了很多调试信息，主要为了gdb调试的时候使用，当然NDK的日志符号化信息也包含其中。

本文主要分析这个包含调试信息的so动态库，深入分析它的组成结构。在开始之前，先来说说这样做的目的或者好处。现在的App基本都会采集上报崩溃时的日志信息，无论是采用第三方云平台（如Testin崩溃分析+），还是自己搭建云服务，都要将含调试信息的so动态库上传，实现云端日志符号化以及云端可视化管理。移动App的快速迭代，使得我们必须存储管理每一个版本的debugso库，而其包含了很多与符号化无关的信息。如果我们只提取出符号化需要的信息，那么符号化文件的体积将会呈现数量级的减少。同时可以在自定义的符号化文件中添加App的版本号等信息，实现符号化提取、上传到云端、云端解析及可视化等自动化部署。另外，从技术角度讲，你将不在害怕看到“unresolvedsymbol” linking errors，更从容地 debugging C/C++ crash或者hacking一些so文件。
首先通过readelf来看看两个不同目录下的so库有什么不同

从中可以清楚看到，包含调试信息的so库多了8个.debug_开头的条目以及.symtab和.strtab条目。符号化的本质，是通过堆栈中的地址信息，还原代码本来的语句以及相应的行号，所以这里只需解析.debug_line和.symtab，最终获取到如下的信息就可以实现符号化了。

c85    c8b     willCrash       jni/hello-jni.c:27-29
c8b    c8d     willCrash       jni/hello-jni.c:32
c8d    c8f     JNI_OnLoad      jni/hello-jni.c:34
c8f    c93     JNI_OnLoad      jni/hello-jni.c:35
c93    c9d     JNI_OnLoad      jni/hello-jni.c:37

通常，目标文件分为三类：relocatable文件、executable文件和shared object文件，它们格式称为ELF（Executableand Linking Format），so动态库属于第三类shared object，它的整体组织结构如下：

ELF Header

Program header table optional

Section 1

...

Section n

...

Section header table required

ELF Header

ELF
Header文件头的结构如下，记录了文件其他内容在文件中的偏移以及大小信息。这里以32bit为例。

typedef struct {
unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];
Elf32_Half      e_type;          //目标文件类型，如relocatable、executable和shared object
Elf32_Half      e_machine;   // 指定需要的特定架构，如Intel 80386，Motorola 68000
Elf32_Word      e_version;   // 目标文件版本，通e_ident中的EI_VERSION
Elf32_Addr      e_entry;       //指定入口点地址，如C可执行文件的入口是_start()，而不是main()
Elf32_Off       e_phoff;   // program header table 的偏移量
Elf32_Off       e_shoff;   // section header table的偏移量
Elf32_Word      e_flags;  // 处理器相关的标志
Elf32_Half      e_ehsize;  // 代表ELF Header部分的大小
Elf32_Half      e_phentsize; // program header table中每一项的大小
Elf32_Half      e_phnum;   // program header table包含多少项
Elf32_Half      e_shentsize;  // section header table中每一项的大小
Elf32_Half      e_shnum;  // section header table包含多少项
Elf32_Half      e_shstrndx;  //section header table中某一子项的index，该子项包含了所有section的字符串名称
} Elf32_Ehdr;

其中e_ident为固定16个字节大小的数组，称为ELF
Identification，包含了处理器类型、文件编码格式、机器类型等，具体结构如下：

Name	Value	Purpose
EI_MAG0	0	前四个字节称为magic number，分别为0x7f、’E’、’L’、’F’，表明文件类型为ELF。
EI_MAG1	1
EI_MAG2	2
EI_MAG3	3
EI_CLASS	4	表明文件是基于32-bit还是64-bit，不同的方式，对齐方式不同，读取某些内容的大小不同。
EI_DATA	5	表明文件数据结构的编码方式，主要分为大端和小端两种
EI_VERSION	6	指定了ELF文件头的版本号
EI_OSABI	7	指定使用了哪种OS-或者ABI-的ELF扩展
EI_ABIVERSION	8	指定该ELF目标文件的目标ABI版本
EI_PAD	9	保留字段起始处，直到第16个字节
EI_NIDENT	16	代表了e_ident数组的大小，固定为16

Sections
该部分包含了除ELF
Header、program
header table以及section
header table之外的所有信息。通过section
header table可以找到每一个section的基本信息，如名称、类型、偏移量等。

先来看看Section
Header的内容，仍以32-bit为例：

typedef struct {
Elf32_Word	sh_name; // 指定section的名称，该值为String Table字符串表中的索引
Elf32_Word	sh_type; // 指定section的分类
Elf32_Word	sh_flags; // 该字段的bit代表不同的section属性
Elf32_Addr	sh_addr; // 如果section出现在内存镜像中，该字段表示section第一个字节的地址
Elf32_Off	sh_offset; // 指定section在文件中的偏移量
Elf32_Word	sh_size; // 指定section占用的字节大小
Elf32_Word	sh_link; // 相关联的section header table的index
Elf32_Word	sh_info; // 附加信息，意义依赖于section的类型
Elf32_Word	sh_addralign; // 指定地址对其约束
Elf32_Word	sh_entsize; // 如果section包含一个table，该值指定table中每一个子项的大小
} Elf32_Shdr;

通过Section
Header的sh_name可以找到指定的section，比如.debug_line、.symbol、.strtab。

String TableString
Table包含一系列以\0结束的字符序列，最后一个字节设置为\0，表明所有字符序列的结束，比如：




String
Table也属于section，只不过它的偏移量直接在ELF
Header中的e_shstrndx字段指定。String
Table的读取方法是，从指定的index开始，直到遇到休止符。比如要section
header中sh_name获取section的名称，比如sh_name
= 7, 则从string
table字节流的第7个index开始（注意这里从0开始），一直读到第一个休止符（index=18），读取到的名称为.debug_line

Symbol Table该部分包含了程序符号化的定义相关信息，比如函数定义、变量定义等，每一项的定义如下：

# Symbol Table Entry

typedef struct {
Elf32_Word	st_name; //symbol字符串表的索引
Elf32_Addr	st_value; //symbol相关的值，依赖于symbol的类型
Elf32_Word	st_size; //symbol内容的大小
unsigned char	st_info;   //symbol的类型及其属性
unsigned char	st_other;  //symbol的可见性，比如类的public等属性
Elf32_Half	st_shndx; //与此symbol相关的section header的索引
} Elf32_Sym;

Symbol的类型包含一下几种

Name	Value
STT_NOTYPE	0
STT_OBJECT	1
STT_FUNC	2
STT_SECTION	3
STT_FILE	4
STT_COMMO	5
STT_TLS	6
STT_LOOS	10
STT_HIOS	12
STT_LOPRO	13
STT_HIPROC	15

其中STT_FUNC就是我们要找的函数symbol。然后通过st_name从symbol字符串表中获取到相应的函数名（如JNI_OnLoad）。当symbol类型为STT_FUNC时，st_value代表该symbol的起始地址，而（st_value+st_size）代表该symbol的结束地址。
回顾之前的提到的.symtab和.strtab两个部分，对应的便是Symbol
Section和Symbol
String Section。

DWARF（Debugging
With Attributed Record Formats）

DWARF是一种调试文件格式，很多编译器和调试器都通过它进行源码调试（gdb等）。尽管它是一种独立
的目标文件格式，但往往嵌入在ELF文件中。前面通过readelf看到的8个.debug_*
Section全部都属于DWARF格式。本文将只讨论与符号化相关的.debug_line部分，更多的DWARF信息请查看参考文献的内容。

.debug_line部分包含了行号信息，通过它可以将代码语句和机器指令地址对应，从而进行源码调试。.debug_line有很多子项组成，每个子项都包含类似数据块头的描述，称为Statement
Program
Prologue。Prologue提供了解码程序指令和跳转到其他语句的信息，它包含如下字段，这些字段是以二进制格式顺序存在的：

total_length	uword	整个子项占用的字节大小，注意并不包括该字段本身
versio	uhalf	该子项格式的版本号，其实也是整个DWARF格式的版本号，目前总共有四个版本。
prologue_length	uword	prologue的长度，不包括该字段及前面的两个字段占用的字节数，即相对于本字段，程序语句本身的第一个字节的偏移量
minimum_instruction_length	ubyte	最小的目标机器指令
default_is_stmt	ubyte	is_stmt寄存器的初始值
line_base	sbyte	不同的操作码，代表不同的含义，只影响special opcodes
line_range	ubyte	不同的操作码，代表不同的含义，只影响special opcodes
opcode_base	ubyte	第一个操作码的数值
standard_opcode_lengths	array of ubyte	标准操作码的LEB128操作数的数值
include_directories	sequence	目录名字符序列
file_names	sequence	源代码所在文件名字符序列

这里用到的机器指令可以分为三类：

special opcodes	单字节操作码，不含参数，大多数指令属于此类
standard opcodes	单字节操作码，可以包含0个或者多个LEB128参数
extended opcodes	多字节操作码

这里不做机器指令的解析说明，感兴趣的，可以查看参考文献的内容。
通过.debug_line，我们最终可以获得如下信息：文件路径、文件名、行号以及起始地址。

最后我们汇总一下整个符号化提取的过程：
1、从ELF
Header中获知32bit或者64bit，以及大端还是小端，基于此读取后面的内容
2、从ELF
Header中获得Section
Header Table在文件中的位置
3、读取Section
Header Table，从中获得.debug_line、.symtab以及.strtab三个section在文中的位置
4、读取.symtab和.strtab两个section，最后获得所有function
symbol的名称、起始地址以及结束地址
5、读取.debug_line，按照DWARF格式解析获取文件名称、路径、行号以及起始地址
6、对比步骤4和5中获取的结果，进行对比合并，形成最终的结果

参考文献：
http://www.csdn.net/article/2014-12-30/2823366-Locate-Android-NDKhttp://eli.thegreenplace.net/2011/02/07/how-debuggers-work-part-3-debugging-information/http://www.sco.com/developers/gabi/latest/ch4.intro.htmlhttp://www.dwarfstd.org/

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