如何得到当前程序执行的堆栈

1. 背景

通常我们只是在调试程序的时候，才用 gdb bt命令显示当前进程（或线程）所在的堆栈。实际代码开发中，一般较少需要得到当前程序的堆栈。但是，在调试一些不容易复现、gdb难以跟踪的bug时，或在需要记录部分代被执行的上下文的情景下，就非常有必要得到当前程序运行的堆栈。

2. 原理

要实现上面得到当前程序堆栈的功能，需要依赖glibc中execinfo.h声明的backtrace()函数族。为此我们需要先了解glibc中backtrace是如何实现的。

2.1 底层库的实现

可以参考glibc-2.17/debug/backtrace.c，执行过程是从栈顶遍历到栈底，一层层根据调用关系，取得当前sp的值，并保存在指定的数组里面。

/* By default assume the `next' pointer in struct layout points to thenext struct layout.  */
#ifndef ADVANCE_STACK_FRAME
# define ADVANCE_STACK_FRAME(next) BOUNDED_1 ((struct layout *) (next))
#endif/* By default, the frame pointer is just what we get from gcc.  */
#ifndef FIRST_FRAME_POINTER
# define FIRST_FRAME_POINTER  __builtin_frame_address (0)
#endifint
__backtrace (array, size)void **array;int size;
{struct layout *current;void *__unbounded top_frame;void *__unbounded top_stack;int cnt = 0;top_frame = FIRST_FRAME_POINTER;top_stack = CURRENT_STACK_FRAME;/* We skip the call to this function, it makes no sense to record it.  */current = BOUNDED_1 ((struct layout *) top_frame);while (cnt < size)
{if ((void *) current INNER_THAN top_stack|| !((void *) current INNER_THAN __libc_stack_end))/* This means the address is out of range.  Note that for thetoplevel we see a frame pointer with value NULL which clearly isout of range.  */
break;array[cnt++] = current->return_address;current = ADVANCE_STACK_FRAME (current->next);}return cnt;
}
weak_alias (__backtrace, backtrace)
libc_hidden_def (__backtrace)

2.2 用户态的使用过程

这样，程序开发者就可以直接include execinfo.h头文件，然后调用backtrace（）函数。execinfo.h中列出了实现类似功能的一组函数族：

/* Store up to SIZE return address of the current program state inARRAY and return the exact number of values stored.  */extern int backtrace (void **__array, int __size) __nonnull ((1));/* Return names of functions from the backtrace list in ARRAY in a newlymalloc()ed memory block.  */extern char **backtrace_symbols (void *const *__array, int __size)__THROW __nonnull ((1));/* This function is similar to backtrace_symbols() but it writes the resultimmediately to a file.  */extern void backtrace_symbols_fd (void *const *__array, int __size, int __fd)__THROW __nonnull ((1));

从参数中可以想到，需要为array预备一部分存储调用栈的存储空间，后面调用的backtrace（）把会进程当前执行的栈信息写到这个array里面去。

3. 实例分析

3.1 测试程序及其输出

具体示例如下execinfo.c：

#include <stdio.h>
#include <execinfo.h>int main(int argc, char * argv[])
{
int i = 0;
void * stack[1024] = {NULL,};backtrace(stack, 1024);for (i = 0; i < 32; i++) {printf("stack %d: %p\n", i, stack[i]);
}return 0;
}

gcc -g -o execinfo execinfo.c 完成之后，可以看一下这个程序的运行结果：
[root@localhost test]# ./execinfo
stack 0: 0x4005cd
stack 1: 0x7fced5bb6c05
stack 2: 0x4004b9
stack 3: (nil)
.......

3.2 反汇编二进制及其分析

我们接着对execinfo反汇编： objdump -alDS ./execinfo >> execinfo.S,得到execinfo.S之后，
看看0x4005cd 对应到哪一行代码：
/home/qxi/test/execinfo.c:34

    backtrace(stack, 1024);4005b9:   48 8d 85 f0 df ff ff    lea    -0x2010(%rbp),%rax4005c0:   be 00 04 00 00          mov    $0x400,%esi4005c5:   48 89 c7                mov    %rax,%rdi4005c8:   e8 83 fe ff ff          callq  400450 <backtrace@plt>
/home/qxi/test/execinfo.c:36for (i = 0; i < 32; i++) {4005cd:   c7 45 fc 00 00 00 00    movl   $0x0,-0x4(%rbp)4005d4:   eb 25                   jmp    4005fb <main+0x7b>
/home/qxi/test/execinfo.c:37 (discriminator 2)

可以看到它指向的是backtrace()执行之后的程序地址，也就是最后一个入栈的值。接着看0x40004b9分别对应哪个函数：

Disassembly of section .text:
0000000000400490 <_start>:
_start():400490:   31 ed                   xor    %ebp,%ebp400492:   49 89 d1                mov    %rdx,%r9400495:   5e                      pop    %rsi400496:   48 89 e2                mov    %rsp,%rdx400499:   48 83 e4 f0             and    $0xfffffffffffffff0,%rsp40049d:   50                      push   %rax40049e:   54                      push   %rsp40049f:   49 c7 c0 80 06 40 00    mov    $0x400680,%r84004a6:   48 c7 c1 10 06 40 00    mov    $0x400610,%rcx4004ad:   48 c7 c7 80 05 40 00    mov    $0x400580,%rdi4004b4:   e8 b7 ff ff ff          callq  400470 <__libc_start_main@plt>4004b9:   f4                      hlt4004ba:   66 0f 1f 44 00 00       nopw   0x0(%rax,%rax,1)

可以看到4004b9记录的是从glibc跳到main()函数之后执行的第一条指令的位置，也就是最早入栈的值。

4. 总结

函数调栈中压栈的值，记录着当前调用返回后会执行的下一个指令（函数）的地址. 结合上面的原理和示例分析，可以看到在应用程序中得到当前程序的调用栈的过程，就是把函数调用过程中一层层入栈的值，从栈顶一个个再次读出的过程。因此利用这个特性，再结合一些其他技术，我们可以用来实现跟踪资源泄漏、锁申请而没有释放等高级功能。

本文转自存储之厨51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/xiamachao/2064805 ，如需转载请自行联系原作者