在嵌入式Linux開(kāi)發(fā)中，特別是復(fù)雜軟件，多人協(xié)作開(kāi)發(fā)時(shí)，當(dāng)某人無(wú)意間寫(xiě)了一個(gè)代碼bug導(dǎo)致程序崩潰，但又不知道崩潰的具體位置時(shí)，單純靠走讀代碼，很難快速的定位問(wèn)題。

本篇就來(lái)介紹一種方法，使用backtrace工具，來(lái)輔助定位程序崩潰的位置信息。

backtrace是 C/C++ 中用于獲取程序調(diào)用棧信息的函數(shù)，借助backtrace可以排查崩潰并定位代碼行號(hào)。

1.backtrace分析程序崩潰的原理

在linux系統(tǒng)中，運(yùn)行程序若發(fā)生崩潰，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，例如訪問(wèn)空指針會(huì)觸發(fā)SIGSEGV（signum：11）。

這時(shí)可以使用signal函數(shù)來(lái)捕獲這個(gè)信息，捕獲信號(hào)后，支持自定義的handler函數(shù)進(jìn)行一些處理。

在自定義的handler函數(shù)中，可以使用backtrace函數(shù)，來(lái)打印程序調(diào)用棧信息。

最后使用addr2line函數(shù)，將地址轉(zhuǎn)換為可讀的函數(shù)名和行號(hào)。

使用backtrace分析程序崩潰，需要在編譯時(shí)使用 -g 選項(xiàng)生成的調(diào)試信息。

使用addr2line工具，將地址轉(zhuǎn)換為可讀的函數(shù)名和行號(hào)，實(shí)例如下：

addr2line -e 程序名 -f -C 0x400526
# 輸出：
main
/path/to/main.c:42

2.一些要用到的函數(shù)

2.1 signal

2.1.1 函數(shù)原型

在 C 和 C++ 中，signal 函數(shù)用于設(shè)置信號(hào)處理方式。

其原型定義在 <signal.h> 頭文件中：

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

參數(shù)說(shuō)明：

• int signum：信號(hào)編號(hào)（整數(shù)），如：

SIGINT（2）：中斷信號(hào)（Ctrl+C）

SIGSEGV（11）：段錯(cuò)誤

SIGILL（4）：非法指令

SIGTERM（15）：終止信號(hào)

SIGFPE（8）：浮點(diǎn)異常

• sighandler_t handler：信號(hào)處理函數(shù)指針，有三種取值：
• 用戶定義函數(shù)：void handler(int signum) 類型的函數(shù)
• SIG_DFL：默認(rèn)處理（如終止程序）
• SIG_IGN：忽略該信號(hào)

返回值：

• 成功：返回之前的信號(hào)處理函數(shù)指針
• 失?。悍祷?nbsp;SIG_ERR，并設(shè)置 errno（如 EINVAL 表示無(wú)效信號(hào)）

2.1.2 常見(jiàn)信號(hào)列表

信號(hào)分類：

• 不可捕獲信號(hào)：無(wú)法通過(guò)signal或sigaction修改處理方式，只能由系統(tǒng)強(qiáng)制控制。

SIGKILL（9）

SIGSTOP（19）

• 用戶自定義信號(hào)：可由程序自由定義處理邏輯，常用于進(jìn)程間通信或調(diào)試。

SIGUSR1（10）

SIGUSR2（12）

• 異常信號(hào)：通常由程序錯(cuò)誤（如內(nèi)存操作異常）觸發(fā)，默認(rèn)會(huì)生成 Core 文件用于調(diào)試。

SIGBUS（7）

SIGSEGV（11）

• ...

默認(rèn)行為的差異：

• 多數(shù)信號(hào)的默認(rèn)行為是終止程序，但部分信號(hào)（如SIGCHLD）默認(rèn)會(huì)被忽略，而SIGCONT則用于恢復(fù)進(jìn)程運(yùn)行。

2.2 backtrace

在 C 和 C++ 中，backtrace 函數(shù)用于獲取當(dāng)前程序的調(diào)用堆棧信息，常用于調(diào)試和錯(cuò)誤處理。

其原型定義在 <execinfo.h> 頭文件中：

/* 獲取當(dāng)前調(diào)用堆棧中的函數(shù)地址 */
int backtrace(void **buffer, int size);

• 參數(shù)

void **buffer：指向存儲(chǔ)函數(shù)地址的數(shù)組的指針。

int size：數(shù)組的最大元素?cái)?shù)（即最多獲取的堆棧幀數(shù)）。

• 返回值

成功：返回實(shí)際獲取的堆棧幀數(shù)（不超過(guò) size）。

失?。悍祷?0（極罕見(jiàn)，通常僅在內(nèi)存不足時(shí)發(fā)生）。

2.3 backtrace_symbols

/* 將函數(shù)地址轉(zhuǎn)換為可讀的字符串（如函數(shù)名、偏移量） */
char **backtrace_symbols(void *const *buffer, int size);

• 參數(shù)

void *const *buffer：backtrace返回的函數(shù)地址數(shù)組

int size：backtrace返回的實(shí)際幀數(shù)

• 返回值

成功：返回指向字符串?dāng)?shù)組的指針，每個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)堆棧幀（需用 free() 釋放）

失?。悍祷?nbsp;NULL，并設(shè)置 errno

2.4 backtrace_symbols_fd

/* 將函數(shù)地址直接輸出到文件 */
void backtrace_symbols_fd(void *const *buffer, int size, int fd);

• 參數(shù)

void *const *buffer：同 backtrace_symbols

int size：同 backtrace_symbols

int fd：文件描述符（如 STDERR_FILENO），用于輸出結(jié)果

• 返回值：無(wú)（直接輸出到文件）

3.實(shí)例代碼

3.1 主函數(shù)

//g++ -g test.cpp -o test
#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <csignal>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <vector>

//<---信號(hào)處理函數(shù)添加到這里

void TestFun()
{
    printf("[%s] in\n", __func__);
std::vector<int> a;
printf("[%s] a[1]=%d\n", __func__, a[1]);
}

int main()
{
    std::vector<int> vSignalType = {SIGILL, SIGSEGV, SIGABRT};                             
    for (int &signalType : vSignalType)
    {
        if (SIG_ERR == signal(signalType, SignalHandler))
        {
            printf("[%s] signal for signalType:%d err\n", __func__, signalType);
        }
    }

 TestFun();
return0;
}

3.2 信號(hào)處理函數(shù)

#define MAX_STACK_FRAMES 100

void SignalHandler(int signum)
{
    printf("[%s] signum:%d(%s)\n", __func__, signum, strsignal(signum));
    signal(signum, SIG_DFL); //恢復(fù)默認(rèn)行為

    // [backtrace] 獲取當(dāng)前調(diào)用堆棧中的函數(shù)地址
    void *buffer[MAX_STACK_FRAMES];
    size_t size = backtrace(buffer, MAX_STACK_FRAMES);
    printf("[%s] backtrace() return %zu address. Stack trace:\n", __func__, size);
    
    // [backtrace_symbols] 將函數(shù)地址轉(zhuǎn)換為可讀的字符串
    char **symbols = (char **) backtrace_symbols(buffer, size);
    if (symbols == NULL) 
    {
        printf("[%s] backtrace_symbols() null\n", __func__);
        return;
    }

    for (size_t i = 0; i < size; ++i)
    {
        printf("#%d %s\n", (int)i, symbols[i]); //打印每一個(gè)函數(shù)地址
    }
    free(symbols);
    
    // [backtrace_symbols_fd] 將函數(shù)地址直接輸出到文件
    int fd = open("backtrace.txt", O_CREAT | O_WRONLY, S_IRWXU | S_IRWXG | S_IRWXO);
    if (fd >= 0)
    {
        backtrace_symbols_fd(buffer, size, fd);
        close(fd);
    }
}

3.3 addr2line解析backtrace信息

#!/bin/sh

if [ $# -lt 2 ]; then
echo"example: myaddr2line.sh test backtrace.log"
exit 1
fi

BIN_FILE=$1
BACK_TRACE_FILE=$2

lines=$(cat $BACK_TRACE_FILE | grep ${BIN_FILE})
for line in${lines}; do
 addr=$(echo$line | awk -F '(''{print $2}' | awk -F ')''{print $1}')
 addr2line -e ${BIN_FILE} -C -f $addr
done

addr2line 是一個(gè)用于將程序地址（如內(nèi)存地址）轉(zhuǎn)換為源代碼位置（文件名和行號(hào)）的工具。以下是其常用參數(shù)的詳細(xì)含義：

3.4 測(cè)試結(jié)果

圖片

可以看到，定位到了test.cpp的50行為崩潰的位置，代碼中的vector a沒(méi)有賦值，直接訪問(wèn)vector[1]將會(huì)崩潰。

具體的調(diào)用棧關(guān)系為：

• main函數(shù)，test.cpp的65行：調(diào)用的TestFun函數(shù)
• TestFun函數(shù)，test.cpp的50行：執(zhí)行的printf("[%s] a[1]=%d\n", __func__, a[1]);
• SignalHandler函數(shù)，test.cpp的20行：崩潰觸發(fā)的SIGSEGV信號(hào)被捕獲后，在SignalHandler函數(shù)中的backtrace被處理

SignalHandler函數(shù)中，通過(guò)backtrace_symbols打印的信息，與通過(guò)backtrace_symbols_fd保存在backtrace.txt文件中的信息，其實(shí)是一樣的：

圖片

使用myaddr2line.sh腳本，可以方便打印所有的行號(hào)信息。

當(dāng)然也可以手動(dòng)使用addr2line來(lái)打印行號(hào)信息，只是效率較低。

另外，注意backtrace的地址，圓括號(hào) () 和 方括號(hào) [] 中的地址具有不同含義，分別對(duì)應(yīng) 符號(hào)表中的函數(shù)地址 和 實(shí)際執(zhí)行地址。

• 圓括號(hào) (...) 中的地址

含義：函數(shù)內(nèi)部的 相對(duì)偏移量（相對(duì)于函數(shù)起始地址）

格式：函數(shù)名+0x偏移量

作用：指示崩潰發(fā)生在該函數(shù)的具體位置。

• 方括號(hào) [...] 中的地址

含義：指令在 內(nèi)存中的實(shí)際地址（絕對(duì)地址）

格式：0xXXXXXXXX

作用：可直接用于 addr2line 等工具定位源代碼

但在本示例程序測(cè)試中，卻要使用圓括號(hào)中的地址，addr2line才能顯示行號(hào)，這里有待再研究。

圖片

4.總結(jié)

本篇介紹了如何使用backtrace工具來(lái)定位Linux應(yīng)用程序崩潰的位置信息，首先通過(guò)signal捕獲崩潰信息，然后通過(guò)backtrace記錄崩潰時(shí)的堆棧調(diào)用信息，最后使用addr2line來(lái)顯示對(duì)應(yīng)的崩潰時(shí)的代碼行號(hào)。