backtrace和backtrace_symbols函数原理解析

backtrace()是glibc（>=2.1）提供的函数，用于跟踪函数的调用关系。

以下对backtrace()函数的说明以及实例，都来自其man page。

函数定义
#include <execinfo.h>

int backtrace(void **buffer, int size);

char **backtrace_symbols(void *const *buffer, int size);

void backtrace_symbols_fd(void *const *buffer, int size, int fd);

函数说明

backtrace()函数用来获取程序中当前函数的回溯信息，即一系列的函数调用关系，获取到的信息被放在参数buffer中。buffer是一个数组指针，数组的每个元素保存着每一级被调用函数的返回地址。参数size指定了buffer中可存放的返回地址的数量。如果函数实际的回溯层级数大于size，则buffer中只能存放最近的函数调用关系，所以，想要得到完整的回溯信息，就要确保size参数足够大。
backtrace()函数的返回值为buffer中的条目数量，这个值不一定等于size，因为如果为得到完整回溯信息而将size设置的足够大，则该函数的返回值为buffer中实际得到的返回地址数量。

通过backtrace()函数得到buffer之后，backtrace_symbols()可以将其中的返回地址都对应到具体的函数名，参数size为buffer中的条目数。backtrace_symbols()函数可以将每一个返回值都翻译成“函数名+函数内偏移量+函数返回值”，这样就可以更直观的获得函数的调用关系。
经过翻译后的函数回溯信息放到backtrace_symbols()的返回值中，如果失败则返回NULL。需要注意，返回值本身是在backtrace_symbols()函数内部进行malloc的，所以必须在后续显式地free掉。

backtrace_symbols_fd()的buffer和size参数和backtrace_symbols()函数相同，只是它翻译后的函数回溯信息不是放到返回值中，而是一行一行的放到文件描述符fd对应的文件中。

注意，在编译的时候需要加上-rdynamic选项让链接器将所有符号添加到动态符号表中，这样才能将函数地址翻译成函数名。另外，这个选项不会处理static函数，所以，static函数的符号无法得到。

示例：

#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>void
myfunc3(void)
{int j, nptrs;
#define SIZE 100void *buffer[100];char **strings;nptrs = backtrace(buffer, SIZE);printf("backtrace() returned %d addresses\n", nptrs);/* The call backtrace_symbols_fd(buffer, nptrs, STDOUT_FILENO)would produce similar output to the following: */strings = backtrace_symbols(buffer, nptrs);if (strings == NULL) {perror("backtrace_symbols");exit(EXIT_FAILURE);}for (j = 0; j < nptrs; j++)printf("%s\n", strings[j]);free(strings);
}static void   /* "static" means don't export the symbol... */
myfunc2(void)
{myfunc3();
}void
myfunc(int ncalls)
{if (ncalls > 1)myfunc(ncalls - 1);elsemyfunc2();
}int
main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2) {fprintf(stderr, "%s num-calls\n", argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}myfunc(atoi(argv[1]));exit(EXIT_SUCCESS);
}

进行编译：

cc -rdynamic prog.c -o prog
代码运行结果为：

$ ./prog 3
           backtrace() returned 8 addresses
           ./prog(myfunc3+0x5c) [0x80487f0]
           ./prog [0x8048871]
           ./prog(myfunc+0x21) [0x8048894]
           ./prog(myfunc+0x1a) [0x804888d]
           ./prog(myfunc+0x1a) [0x804888d]
           ./prog(main+0x65) [0x80488fb]
           /lib/libc.so.6(__libc_start_main+0xdc) [0xb7e38f9c]
           ./prog [0x8048711]

采用信号量进行崩溃日志打印：

#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void trace(int signo)
{int j, nptrs;
#define SIZE 100void *buffer[100];char **strings;printf("signo: %d\n", signo);nptrs = backtrace(buffer, SIZE);printf("backtrace() returned %d addresses\n", nptrs);/* The call backtrace_symbols_fd(buffer, nptrs, STDOUT_FILENO)*               would produce similar output to the following: */strings = backtrace_symbols(buffer, nptrs);if (strings == NULL) {perror("backtrace_symbols");exit(EXIT_FAILURE);}for (j = 0; j < nptrs; j++)printf("%s\n", strings[j]);free(strings);if (SIGSEGV == signo || SIGQUIT == signo) {exit(0);}
}void segfault(void)
{int *p = NULL;*p = 1;
}int main(int argc, char *argv[])
{signal(SIGSEGV, trace);signal(SIGINT, trace);signal(SIGQUIT, trace);while (1) {sleep(1);if (time(0) % 7 == 0) {segfault();}}return 0;
}

编译方法 gcc -rdynamic seg.c -o seg -g

段错信息

signo: 11
    backtrace() returned 6 addresses
    ./seg(trace+0x3c) [0x400aac]
    /lib64/libc.so.6() [0x3c39635690]
    ./seg(segfault+0x10) [0x400b64]
    ./seg(main+0x83) [0x400bef]
    /lib64/libc.so.6(__libc_start_main+0xf5) [0x3c39621b45]
    ./seg() [0x4009a9]

使用 objdump -d seg 查看出错地址 0x400b64 是一个赋值操作

0000000000400b54 <segfault>:
      400b54:       55                      push   %rbp
      400b55:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
      400b58:       48 c7 45 f8 00 00 00    movq   $0x0,-0x8(%rbp)
      400b5f:       00
      400b60:       48 8b 45 f8             mov    -0x8(%rbp),%rax
      400b64:       c7 00 01 00 00 00       movl   $0x1,(%rax)
      400b6a:       5d                      pop    %rbp
      400b6b:       c3                      retq

使用 addr2line 0x400b64 -e seg -afs 查看段错函数和对应的代码行数

0x0000000000400b64
segfault
seg.c:41

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