C/C++中手动获取调用堆栈【转】

转自：http://blog.csdn.net/kevinlynx/article/details/39269507

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当我们的程序core掉之后，如果能获取到core时的函数调用堆栈将非常有利于定位问题。在Windows下可以使用SEH机制；在Linux下通过gdb使用coredump文件即可。

但有时候由于某些错误导致堆栈被破坏，发生拿不到调用堆栈的情况。

一些基础预备知识本文不再详述，可以参考以下文章：

需要知道的信息：

  • 函数调用对应的call指令本质上是先压入下一条指令的地址到堆栈，然后跳转到目标函数地址
  • 函数返回指令ret则是从堆栈取出一个地址，然后跳转到该地址
  • EBP寄存器始终指向当前执行函数相关信息（局部变量）所在栈中的位置，ESP则始终指向栈顶
  • 每一个函数入口都会保存调用者的EBP值，在出口处都会重设EBP值，从而实现函数调用的现场保存及现场恢复
  • 64位机器增加了不少寄存器，从而使得函数调用的参数大部分时候可以通过寄存器传递；同时寄存器名字发生改变，例如EBP变为RBP

在函数调用中堆栈的情况可用下图说明：

将代码对应起来：

[cpp] view plain copy
  1. void g() {  
  2.     int *p = 0;  
  3.     long a = 0x1234;  
  4.     printf("%p %x ", &a, a);  
  5.     printf("%p %x ", &p, p);  
  6.     f();  
  7.     *p = 1;  
  8. }  
  9.   
  10. void b(int argc, char **argv) {  
  11.     printf("%p %p ", &argc, &argv);  
  12.     g();  
  13. }  
  14.   
  15. int main(int argc, char **argv) {  
  16.     b(argc, argv);  
  17.     return 0;  
  18. }  

在函数g()中断点，看看堆栈中的内容(64位机器)：

[plain] view plain copy
  1. (gdb) p $rbp  
  2. $2 = (void *) 0x7fffffffe370  
  3. (gdb) p &p  
  4. $3 = (int **) 0x7fffffffe368  
  5. (gdb) p $rsp  
  6. $4 = (void *) 0x7fffffffe360  
  7. (gdb) x/8ag $rbp-16  
  8. 0x7fffffffe360: 0x1234  0x0  
  9. 0x7fffffffe370: 0x7fffffffe390  0x400631 <b(int, char**)+43>  
  10. 0x7fffffffe380: 0x7fffffffe498  0x1a561cbc0  
  11. 0x7fffffffe390: 0x7fffffffe3b0  0x40064f <main(int, char**)+27>  

对应的堆栈图：

可以看看例子中0x400631 <b(int, char**)+43>和0x40064f <main(int, char**)+27>中的代码：

[plain] view plain copy
  1. (gdb) disassemble 0x400631  
  2. ...  
  3. 0x0000000000400627 <b(int, char**)+33>: callq  0x400468 <printf@plt>  
  4. 0x000000000040062c <b(int, char**)+38>: callq  0x4005ae <g()>  
  5. 0x0000000000400631 <b(int, char**)+43>: leaveq                           # call的下一条指令  
  6. ...  
  7.   
  8. (gdb) disassemble 0x40064f  
  9. ...   
  10. 0x000000000040063f <main(int, char**)+11>:      mov    %rsi,-0x10(%rbp)  
  11. 0x0000000000400643 <main(int, char**)+15>:      mov    -0x10(%rbp),%rsi  
  12. 0x0000000000400647 <main(int, char**)+19>:      mov    -0x4(%rbp),%edi  
  13. 0x000000000040064a <main(int, char**)+22>:      callq  0x400606 <b(int, char**)>  
  14. 0x000000000040064f <main(int, char**)+27>:      mov    $0x0,%eax         # call的下一条指令  
  15. ...  

顺带一提，每个函数入口和出口，对应的设置RBP代码为：

[plain] view plain copy
  1. (gdb) disassemble g  
  2. ...  
  3. 0x00000000004005ae <g()+0>:     push   %rbp               # 保存调用者的RBP到堆栈  
  4. 0x00000000004005af <g()+1>:     mov    %rsp,%rbp          # 设置自己的RBP  
  5. ...  
  6. 0x0000000000400603 <g()+85>:    leaveq                    # 等同于：movq %rbp, %rsp  
  7.                                                           #         popq %rbp  
  8. 0x0000000000400604 <g()+86>:    retq                        

由以上可见，通过当前的RSP或RBP就可以找到调用堆栈中所有函数的RBP；找到了RBP就可以找到函数地址。因为，任何时候的RBP指向的堆栈位置就是上一个函数的RBP；而任何时候RBP所在堆栈中的前一个位置就是函数返回地址。

由此我们可以自己构建一个导致gdb无法取得调用堆栈的例子：

[cpp] view plain copy
  1. void f() {  
  2.     long *p = 0;  
  3.     p = (long*) (&p + 1); // 取得g()的RBP  
  4.     *p = 0;  // 破坏g()的RBP  
  5. }  
  6.   
  7. void g() {  
  8.     int *p = 0;  
  9.     long a = 0x1234;  
  10.     printf("%p %x ", &a, a);  
  11.     printf("%p %x ", &p, p);  
  12.     f();  
  13.     *p = 1; // 写0地址导致一次core  
  14. }  
  15.   
  16. void b(int argc, char **argv) {  
  17.     printf("%p %p ", &argc, &argv);  
  18.     g();  
  19. }  
  20.   
  21. int main(int argc, char **argv) {  
  22.     b(argc, argv);  
  23.     return 0;  
  24. }  

使用gdb运行该程序：

[plain] view plain copy
  1. Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.  
  2. g () at ebp.c:37  
  3. 37          *p = 1;  
  4. (gdb) bt  
  5. Cannot access memory at address 0x8  
  6. (gdb) p $rbp  
  7. $1 = (void *) 0x0  

bt无法获取堆栈，在函数g()中RBP被改写为0，gdb从0偏移一个地址长度即0x8，尝试从0x8内存位置获取函数地址，然后提示Cannot access memory at address 0x8。

RBP出现了问题，我们就可以通过RSP来手动获取调用堆栈。因为RSP是不会被破坏的，要通过RSP获取调用堆栈则需要偏移一些局部变量所占的空间：

[plain] view plain copy
  1. (gdb) p $rsp  
  2. $2 = (void *) 0x7fffffffe360  
  3. (gdb) x/8ag $rsp+16             # g()中局部变量占16字节  
  4. 0x7fffffffe370: 0x7fffffffe390  0x400631 <b(int, char**)+43>  
  5. 0x7fffffffe380: 0x7fffffffe498  0x1a561cbc0  
  6. 0x7fffffffe390: 0x7fffffffe3b0  0x40064f <main(int, char**)+27>  
  7. 0x7fffffffe3a0: 0x7fffffffe498  0x100000000  

基于以上就可以手工找到调用堆栈：

[plain] view plain copy
  1. g()  
  2. 0x400631 <b(int, char**)+43>  
  3. 0x40064f <main(int, char**)+27>  

上面的例子本质上也是破坏堆栈，并且仅仅破坏了保存了的RBP。在实际情况中，堆栈可能会被破坏得更多，则可能导致手动定位也较困难。

堆栈被破坏还可能导致更多的问题，例如覆盖了函数返回地址，则会导致RIP错误；例如堆栈的不平衡。导致堆栈被破坏的原因也有很多，例如局部数组越界；delete/free栈上对象等。

omit-frame-pointer

使用RBP获取调用堆栈相对比较容易。但现在编译器都可以设置不使用RBP(gcc使用-fomit-frame-pointer，msvc使用/Oy)，对于函数而言不设置其RBP意味着可以节省若干条指令。在函数内部则完全使用RSP的偏移来定位局部变量，包括嵌套作用域里的局部变量，即使程序实际运行时不会进入这个作用域。

例如：

[cpp] view plain copy
  1. void f2() {  
  2.     int a = 0x1234;  
  3.     if (a > 0) {  
  4.         int b = 0xff;  
  5.         b = a;  
  6.     }  
  7. }  

gcc中使用-fomit-frame-pointer生成的代码为：

[plain] view plain copy
  1. (gdb) disassemble f2  
  2. Dump of assembler code for function f2:  
  3. 0x00000000004004a5 <f2+0>:      movl   $0x1234,-0x8(%rsp)    # int a = 0x1234  
  4. 0x00000000004004ad <f2+8>:      cmpl   $0x0,-0x8(%rsp)         
  5. 0x00000000004004b2 <f2+13>:     jle    0x4004c4 <f2+31>        
  6. 0x00000000004004b4 <f2+15>:     movl   $0xff,-0x4(%rsp)      # int b = 0xff  
  7. 0x00000000004004bc <f2+23>:     mov    -0x8(%rsp),%eax  
  8. 0x00000000004004c0 <f2+27>:     mov    %eax,-0x4(%rsp)  
  9. 0x00000000004004c4 <f2+31>:     retq  

可以发现f2()没有操作RBP之类的指令了。

原文地址： http://codemacro.com/2014/09/02/stack-frame/
written by Kevin Lynx  posted at http://codemacro.com

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