捕捉信号SIGSEGV并回溯栈帧backtrace

引出问题

在嵌入式应用程序开发过程中，调试一直是个老大难问题 -- 由于环境的限制，当程序发生段错误时不能很好的定位到底是哪里出现了错误，如果在程序发生段错误时能够清晰明了地看到程序的栈帧链，那无疑是雪中送炭。本文就捕捉信号SIGSEGV并在该信号的处理函数中打印出函数栈帧链来帮助我们调试程序。

本文的程序适合ARM和X86平台。

回溯栈帧原理

理解函数栈帧的布局后，那么自然明白回溯栈帧的原理了，这里不多解释了，直接上图（来自网络）：



                                                                 x86函数栈帧结构

 


                                                                ARM函数栈帧结构

代码sigsegv.c



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#ifndef _GNU_SOURCE  

    #define _GNU_SOURCE  

#endif  

#include <stdio.h>  

#include <dlfcn.h>  

#include <stdlib.h>  

#include <signal.h>  

#include <unistd.h>  

#include <string.h>  

#include <ucontext.h>  

  

  

/* 纯C环境下，不定义宏NO_CPP_DEMANGLE */  

#if (!defined(__cplusplus)) && (!defined(NO_CPP_DEMANGLE))  

#define NO_CPP_DEMANGLE  

#endif  

  

#ifndef NO_CPP_DEMANGLE  

    #include <cxxabi.h>  

    #ifdef __cplusplus  

        using __cxxabiv1::__cxa_demangle;  

    #endif  

#endif  

  

#ifdef HAS_ULSLIB  

    #include <uls/logger.h>  

    #define sigsegv_outp(x) sigsegv_outp(, gx)  

#else  

    #define sigsegv_outp(x, ...)    fprintf(stderr, x"\n", ##__VA_ARGS__)  

#endif  

  

#if (defined __x86_64__)  

    #define REGFORMAT   "%016lx"      

#elif (defined __i386__)  

    #define REGFORMAT   "%08x"  

#elif (defined __arm__)  

    #define REGFORMAT   "%lx"  

#endif  

  

static void print_reg(ucontext_t *uc)   

{  

#if (defined __x86_64__) || (defined __i386__)  

    int i;  

    for (i = 0; i < NGREG; i++) {  

        sigsegv_outp("reg[%02d]: 0x"REGFORMAT, i, uc->uc_mcontext.gregs[i]);  

    }  

#elif (defined __arm__)  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 0, uc->uc_mcontext.arm_r0);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 1, uc->uc_mcontext.arm_r1);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 2, uc->uc_mcontext.arm_r2);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 3, uc->uc_mcontext.arm_r3);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 4, uc->uc_mcontext.arm_r4);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 5, uc->uc_mcontext.arm_r5);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 6, uc->uc_mcontext.arm_r6);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 7, uc->uc_mcontext.arm_r7);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 8, uc->uc_mcontext.arm_r8);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 9, uc->uc_mcontext.arm_r9);  

    sigsegv_outp("reg[%02d]     = 0x"REGFORMAT, 10, uc->uc_mcontext.arm_r10);  

    sigsegv_outp("FP        = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.arm_fp);  

    sigsegv_outp("IP        = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.arm_ip);  

    sigsegv_outp("SP        = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.arm_sp);  

    sigsegv_outp("LR        = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.arm_lr);  

    sigsegv_outp("PC        = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.arm_pc);  

    sigsegv_outp("CPSR      = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.arm_cpsr);  

    sigsegv_outp("Fault Address = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.fault_address);  

    sigsegv_outp("Trap no       = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.trap_no);  

    sigsegv_outp("Err Code  = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.error_code);  

    sigsegv_outp("Old Mask  = 0x"REGFORMAT, uc->uc_mcontext.oldmask);  

#endif  

}  

  

static void print_call_link(ucontext_t *uc)   

{  

    int i = 0;  

    void **frame_pointer = (void **)NULL;  

    void *return_address = NULL;  

    Dl_info dl_info = { 0 };  

  

#if (defined __i386__)  

    frame_pointer = (void **)uc->uc_mcontext.gregs[REG_EBP];  

    return_address = (void *)uc->uc_mcontext.gregs[REG_EIP];  

#elif (defined __x86_64__)  

    frame_pointer = (void **)uc->uc_mcontext.gregs[REG_RBP];  

    return_address = (void *)uc->uc_mcontext.gregs[REG_RIP];  

#elif (defined __arm__)  

/* sigcontext_t on ARM: 

        unsigned long trap_no; 

        unsigned long error_code; 

        unsigned long oldmask; 

        unsigned long arm_r0; 

        ... 

        unsigned long arm_r10; 

        unsigned long arm_fp; 

        unsigned long arm_ip; 

        unsigned long arm_sp; 

        unsigned long arm_lr; 

        unsigned long arm_pc; 

        unsigned long arm_cpsr; 

        unsigned long fault_address; 

*/  

    frame_pointer = (void **)uc->uc_mcontext.arm_fp;  

    return_address = (void *)uc->uc_mcontext.arm_pc;  

#endif  

  

    sigsegv_outp("\nStack trace:");  

    while (frame_pointer && return_address) {  

        if (!dladdr(return_address, &dl_info))  break;  

        const char *sname = dl_info.dli_sname;    

#ifndef NO_CPP_DEMANGLE  

        int status;  

        char *tmp = __cxa_demangle(sname, NULL, 0, &status);  

        if (status == 0 && tmp) {  

            sname = tmp;  

        }  

#endif  

        /* No: return address <sym-name + offset> (filename) */  

        sigsegv_outp("%02d: %p <%s + %lu> (%s)", ++i, return_address, sname,   

            (unsigned long)return_address - (unsigned long)dl_info.dli_saddr,   

                                                    dl_info.dli_fname);  

#ifndef NO_CPP_DEMANGLE  

        if (tmp)    free(tmp);  

#endif  

        if (dl_info.dli_sname && !strcmp(dl_info.dli_sname, "main")) {  

            break;  

        }  

  

#if (defined __x86_64__) || (defined __i386__)  

        return_address = frame_pointer[1];  

        frame_pointer = frame_pointer[0];  

#elif (defined __arm__)  

        return_address = frame_pointer[-1];   

        frame_pointer = (void **)frame_pointer[-3];  

#endif  

    }  

    sigsegv_outp("Stack trace end.");  

}  

  

static void sigsegv_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context)  

{  

    if (context) {  

        ucontext_t *uc = (ucontext_t *)context;  

  

        sigsegv_outp("Segmentation Fault!");  

        sigsegv_outp("info.si_signo = %d", signo);  

        sigsegv_outp("info.si_errno = %d", info->si_errno);  

        sigsegv_outp("info.si_code  = %d (%s)", info->si_code,   

            (info->si_code == SEGV_MAPERR) ? "SEGV_MAPERR" : "SEGV_ACCERR");  

        sigsegv_outp("info.si_addr  = %p\n", info->si_addr);  

  

        print_reg(uc);  

        print_call_link(uc);  

    }  

  

    _exit(0);  

}  

  

#define SETSIG(sa, sig, fun, flags)     \  

        do {                            \  

            sa.sa_sigaction = fun;      \  

            sa.sa_flags = flags;        \  

            sigemptyset(&sa.sa_mask);   \  

            sigaction(sig, &sa, NULL);  \  

        } while(0)  

  

static void __attribute((constructor)) setup_sigsegv(void)   

{  

    struct sigaction sa;  

  

    SETSIG(sa, SIGSEGV, sigsegv_handler, SA_SIGINFO);   

#if 0  

    memset(&sa, 0, sizeof(struct sigaction));  

    sa.sa_sigaction = sigsegv_handler;  

    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;  

    if (sigaction(SIGSEGV, &sa, NULL) < 0) {  

        perror("sigaction: ");  

    }  

#endif  

}  

  

#if 1  

void func3(void)  

{  

    char *p = (char *)0x12345678;  

    *p = 10;  

}  

  

void func2(void)  

{  

    func3();      

}  

  

void func1(void)  

{  

    func2();  

}  

  

int main(int argc, const char *argv[])  

{  

    func1();      

    exit(EXIT_SUCCESS);  

}  

#endif  

编译时请加上-rdynamic -ldl选项！

代码地址：https://github.com/astrotycoon/sigsegv/blob/master/sigsegv.c

2016-1-17 18:29:33补充知识如下：

今天无意中发现原来gcc

相关阅读：

《 linux下利用backtrace追踪函数调用堆栈以及定位段错误》

《Stack Backtracing Inside Your Program》

《Obtaining a stack trace in C upon SIGSEGV》

参考链接：

《利用堆栈回溯、addr2line和Graphviz生成运行时函数调用图》

《Stack backtrace 的实现》

《linux backtrace()详细使用说明，分析Segmentation fault》

《Backtracing from code in ARM》（需要翻墙）

《Programmatic access to the call stack in C++》

《Stack unwinding (stack trace) with GCC》

《浅析ARM汇编语言子例程设计方法》

《自己动手实现arm函数栈帧回溯》

《Pre-mortem Backtracing》

《C++ Code Snippet - Print Stack Backtrace Programmatically with Demangled Function Names》

《内存泄露调试代码 可以解析C++ symbol》

《将信号用作 Linux 调试工具》

《Get an exception from a segfault on linux (x86 and
x86_64), using some black magic !》

《broadcom6838开发环境实现函数栈追踪》