嵌入式C代碼調(diào)試?yán)鱞acktrace介紹

1

backtrace基本原理

backtrace英譯為回溯的意思，這聽起來有點(diǎn)專業(yè)了，其實(shí)大部分搞嵌入式的朋友都有聽說過函數(shù)調(diào)用棧callstack。而backtrace說白了就是我們呈現(xiàn)函數(shù)調(diào)用關(guān)系的一項(xiàng)功能。

所以backtrace調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)原理基于函數(shù)調(diào)用棧的概念。

那什么是函數(shù)調(diào)用棧呢？

函數(shù)調(diào)用棧是一個(gè)記錄程序中函數(shù)調(diào)用關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)生成和維護(hù)。當(dāng)程序執(zhí)行函數(shù)調(diào)用時(shí)，它將當(dāng)前函數(shù)的返回地址和一些其他信息壓入堆棧中，并跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用的函數(shù)執(zhí)行。當(dāng)被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完畢后，它將返回地址彈出堆棧，并跳回到調(diào)用函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。

backtrace調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)原理就是利用函數(shù)調(diào)用棧中的信息來追蹤程序執(zhí)行的路徑和調(diào)用關(guān)系。當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或崩潰時(shí)，backtrace可以通過分析函數(shù)調(diào)用棧信息來確定出錯(cuò)的位置和原因。

在Linux系統(tǒng)中，backtrace通常是通過使用調(diào)試器比如我們常用的gdb來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)試器會(huì)在程序執(zhí)行時(shí)，動(dòng)態(tài)地獲取函數(shù)調(diào)用棧信息，并將其保存在調(diào)試器的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或崩潰時(shí)，調(diào)試器就可以利用保存的函數(shù)調(diào)用棧信息來進(jìn)行backtrace操作。

2

backtrace功能

而對(duì)于backtrace這個(gè)功能在不同的平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境中的使用是不同的.

比如在我們平時(shí)的linux環(huán)境中:可以使用glibc提供的backtrace()函數(shù)實(shí)現(xiàn)backtrace功能。該函數(shù)通過解析函數(shù)調(diào)用棧信息獲取函數(shù)名、參數(shù)和返回地址等信息，并將其打印到標(biāo)準(zhǔn)輸出或指定的文件中。

此外，還可以使用gdb或libunwind庫來實(shí)現(xiàn)backtrace功能。gdb是一個(gè)強(qiáng)大的調(diào)試器，可以實(shí)時(shí)追蹤程序的執(zhí)行，獲取程序的調(diào)用棧信息，并提供各種調(diào)試工具和命令。

而其中的libunwind則是一個(gè)開源的C/C++庫，也可以用于在運(yùn)行時(shí)獲取當(dāng)前程序的調(diào)用棧信息，并且在不同的平臺(tái)和架構(gòu)上運(yùn)行，并提供了簡(jiǎn)單易用的API接口，同樣也是非常方便的。

3

glibc下的backtrace功能使用

glibc提供了backtrace函數(shù)，可以用來獲取當(dāng)前程序的調(diào)用棧信息，使用方法如下：

包含頭文件：

#include

定義一個(gè)數(shù)組，用于存儲(chǔ)回溯信息：

#defineBT_BUF_SIZE100
void*bt_buffer[BT_BUF_SIZE];

該數(shù)組用于存儲(chǔ)backtrace信息，數(shù)組大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

3. 調(diào)用backtrace函數(shù)：

intbt_size=backtrace(bt_buffer,BT_BUF_SIZE);

該函數(shù)會(huì)獲取當(dāng)前程序的調(diào)用棧信息，并將其存儲(chǔ)在bt_buffer數(shù)組中。bt_size表示實(shí)際獲取到的調(diào)用棧信息的條數(shù)，該值不會(huì)超過BT_BUF_SIZE。

4. 使用backtrace_symbols函數(shù)將backtrace信息轉(zhuǎn)換成字符串：

char**bt_strings=backtrace_symbols(bt_buffer,bt_size);

該函數(shù)將backtrace信息轉(zhuǎn)換成字符串?dāng)?shù)組，每個(gè)字符串表示一個(gè)調(diào)用棧信息。bt_strings指向字符串?dāng)?shù)組的首地址，需要在使用完畢后手動(dòng)釋放內(nèi)存。

5. 打印回溯信息：

for(inti=0;i

	

	該代碼會(huì)將回溯信息打印到標(biāo)準(zhǔn)輸出中，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。完整的使用示例代碼如下：

	
#include
#include
#include
#defineBT_BUF_SIZE100
voidprint_backtrace(){
void*bt_buffer[BT_BUF_SIZE];
intbt_size=backtrace(bt_buffer,BT_BUF_SIZE);
char**bt_strings=backtrace_symbols(bt_buffer,bt_size);
printf("backtrace:
");
for(inti=0;i

	

	該程序會(huì)輸出調(diào)用棧信息，格式如下：

	
backtrace:
./backtrace_demo(func_c+0x16)[0x40069a]
./backtrace_demo(func_b+0xd)[0x4006c5]
./backtrace_demo(func_a+0xd)[0x4006e0]
./backtrace_demo(main+0xe)[0x4006f6]
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf1)[0x7f6a69e2b1c1]
./backtrace_demo(_start+0x2a)[0x400529]

	

	其中每一行表示一個(gè)調(diào)用棧信息，格式為"函數(shù)名+偏移量+[地址]"。

	4

	gdb的backtrace功能

	在Linux下進(jìn)行嵌入式開發(fā)，backtrace通常是通過使用調(diào)試器來實(shí)現(xiàn)的，這樣的話，gdb都跟你封裝成了相應(yīng)的命令，使用起來也簡(jiǎn)單很多。

	下面以gdb為例來介紹如何使用backtrace：

	1、編譯程序時(shí)添加-g選項(xiàng)，以在可執(zhí)行文件中包含調(diào)試信息。因?yàn)閎acktrace函數(shù)需要獲取調(diào)用棧信息，因此需要包含符號(hào)信息。如果使用了-g選項(xiàng)進(jìn)行編譯，則可以保證符號(hào)信息的完整性，如果沒有使用-g選項(xiàng)編譯程序，則可能會(huì)出現(xiàn)獲取不到符號(hào)信息的情況，導(dǎo)致backtrace函數(shù)無法正常工作。

	例如，使用gcc編譯時(shí)可以添加-g選項(xiàng)：

	
gcc-g-oprogramprogram.c

 2、使用gdb啟動(dòng)程序并暫停程序的執(zhí)行。例如，可以使用以下命令啟動(dòng)程序：然后使用以下命令在程序執(zhí)行時(shí)暫停程序的執(zhí)行：這將在程序的main函數(shù)處設(shè)置斷點(diǎn)，并啟動(dòng)程序的執(zhí)行。
gdbprogram

(gdb)breakmain
(gdb)run

 3、當(dāng)程序崩潰或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，gdb會(huì)自動(dòng)暫停程序的執(zhí)行，并顯示當(dāng)前程序的調(diào)用棧信息?？梢允褂靡韵旅畈榭凑{(diào)用棧信息：這將顯示當(dāng)前程序的調(diào)用棧信息，包括每個(gè)函數(shù)的名稱、參數(shù)和返回值等信息，以及每個(gè)函數(shù)在調(diào)用棧中的位置。
(gdb)backtrace
 4、最后可以使用其他gdb命令來查看每個(gè)函數(shù)的參數(shù)和局部變量等信息，以幫助定位代碼崩潰或錯(cuò)誤的原因。

	

	5

	跟蹤的準(zhǔn)確性

	在實(shí)現(xiàn)backtrace功能時(shí)，還需要注意一些細(xì)節(jié)問題。例如，需要注意函數(shù)調(diào)用棧的深度和堆棧溢出等問題，以及需要保證backtrace操作的可靠性和準(zhǔn)確性，下面簡(jiǎn)單聊聊如下三個(gè)值得注意的方面:

	優(yōu)化選項(xiàng)：程序使用了-O選項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可能會(huì)改變函數(shù)調(diào)用棧的結(jié)構(gòu)，從而使backtrace函數(shù)獲取到的信息不完整或不準(zhǔn)確。因此，在使用backtrace函數(shù)時(shí)，建議關(guān)閉優(yōu)化選項(xiàng)，以保證其可靠性。

	棧溢出：如果程序發(fā)生棧溢出，可能會(huì)破壞調(diào)用棧信息，導(dǎo)致backtrace函數(shù)獲取到的信息不完整或不準(zhǔn)確。因此，在程序中應(yīng)該避免出現(xiàn)棧溢出的情況，以保證backtrace函數(shù)的可靠性。

	線程安全：如果程序使用多線程，每個(gè)線程都有自己的調(diào)用棧，因此需要在每個(gè)線程中分別調(diào)用backtrace函數(shù)來獲取相應(yīng)的調(diào)用棧信息。此外，在多線程環(huán)境下，需要注意避免競(jìng)爭(zhēng)條件的出現(xiàn)，以保證backtrace函數(shù)的可靠性。 

	總之，在使用glibc提供的backtrace函數(shù)時(shí)，需要注意編譯選項(xiàng)、優(yōu)化選項(xiàng)、棧溢出和線程安全等因素，以保證其可靠性。此外，不同的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)可能有不同的backtrace實(shí)現(xiàn)方式和接口，需要使用相應(yīng)的工具和API來實(shí)現(xiàn)。

	




	審核編輯：劉清