Linux 从core信息中找到TLS信息

背景

我们在查core问题时，有时候须要查看某个TLS变量的值。可是GDB没有提供直接的命令，或者我不知道。这篇文字的目的。就是想办法从core文件里找出某个线程存放TLS变量的内容。

依据

Linux的glibc库创建线程时。使用mmap创建一块内存空间，作为此线程的栈空间。并将一个叫做struct pthread的数据结构放在栈的顶端(參考glibc代码allocate_stack@allocatestack.c)。而TLS的数据结构就在struct pthread中：

struct pthread
{
    // ...
    struct pthread_key_data
    {
        uintptr_t seq;
        void *data;
    } specific_1stblock[PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE];
    struct pthread_key_data *specific[PTHREAD_KEY_1STLEVEL_SIZE];
    // ...
};

当中specific_1stblock数组是第一层的TLS变量，PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE是一个宏定义，在glib2.20中的大小是32。假设TLS变量超过了这个值，就会使用specific来存储。从这里能够看出来。仅仅要我们找到了specific_1stblock的位置。就能找到TLS变量的位置了。

依据上面的分析。我们须要先找到struct pthread的位置。先看一下struct pthread在栈中的位置：

      /* Place the thread descriptor at the end of the stack.  */
#if TLS_TCB_AT_TP
      pd = (struct pthread *) ((char *) mem + size - coloring) - 1;
#elif TLS_DTV_AT_TP
      pd = (struct pthread *) ((((uintptr_t) mem + size - coloring
                    - __static_tls_size)
                    & ~__static_tls_align_m1)
                   - TLS_PRE_TCB_SIZE);
#endif

pd的定义是struct pthread *pd;。代码中的mem是使用mmap创建的内存首地址。coloring依据宏定义COLORING_INCREMENT来决定是否是一个变化的值。在我看的代码版本号和使用的操作系统(Redhat 6.5)安装的glibc中，都是0，也就是说coloring是一个常量0。这里还有两个宏定义条件，TLS_TCB_AT_TP和TLS_DTV_AT_TP，在glibc2.20。x86_64上使用的是TLS_TCB_AT_TP。因此pd相对于mem的偏移就是固定的大小sizeof(struct pthread)。

通过上面的描写叙述，假设我们能够知道某个线程所在内存段，那么找到这个内存段的尾部，然后向前偏移sizeof(struct pthread)就能够找到struct pthread *的地址，进而找到specific_1stblock和specific的位置。

然而另一个问题，就是怎么确定sizeof(struct pthread)的值？

尽管一个结构体在编译后的大小已经固定下来，可是看到glibc中复杂的定义，还有那么多宏定义限制。我就仅仅能呵呵了。只是，我另一招，就是直接从当前运行的一些程序中，确定sizeof(struct pthread)的大小。

glibc提供的非常多函数中都会获取TLS信息，比方pthread_self。

这个函数非常短：

pthread_t
__pthread_self (void)
{
  return (pthread_t) THREAD_SELF;
}

代码中THREAD_SELF的定义是

# define THREAD_SELF 
  ({ struct pthread *__self;                              
     asm ("mov %%fs:%c1,%0" : "=r" (__self)                   
      : "i" (offsetof (struct pthread, header.self)));            
     __self;})

这个代码仅仅是拿到fs段寄存器加上固定的偏移量的值。事实上我本来想过直接用fs寄存器的值，可惜这个值无论在正在运行的程序中还是在core文件里，gdb都是看不到的。

好吧，做了这么多白搭了。

只是幸运的是，gdb在调试正在运行的程序的时候，是能够直接运行函数的。我把pthread_self()函数的返回值拿出来，然后跟这个线程所在段的内存做对照，就能够知道struct pthread *相对于栈底的偏移量了。

费了九牛二虎之力拿到了sizeof(struct pthread)，回头看一看。才完毕了任务的一半。还得知道specific_1stblock相对于struct pthread *的偏移量。只是还好，这个是比較easy做的，看看pthread_getspecific的汇编代码就一目了然了：

Dump of assembler code for function pthread_getspecific:
   0x0000003bcd40c470 <+0>:     cmp    $0x1f,%edi
   0x0000003bcd40c473 <+3>:     push   %rbx
   0x0000003bcd40c474 <+4>:     ja     0x3bcd40c4ba <pthread_getspecific+74>
   0x0000003bcd40c476 <+6>:     mov    %edi,%eax
   0x0000003bcd40c478 <+8>:     shl    $0x4,%rax
   0x0000003bcd40c47c <+12>:    mov    %fs:0x10,%rdx
   0x0000003bcd40c485 <+21>:    lea    0x310(%rdx,%rax,1),%rdx
   0x0000003bcd40c48d <+29>:    mov    0x8(%rdx),%rax
   0x0000003bcd40c491 <+33>:    test   %rax,%rax
   0x0000003bcd40c494 <+36>:    je     0x3bcd40c4ac <pthread_getspecific+60>
   .....

对照一下glibc中的代码：

  struct pthread_key_data *data;

  /* Special case access to the first 2nd-level block.  This is the
     usual case.  */
  if (__glibc_likely (key < PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE))
    data = &THREAD_SELF->specific_1stblock[key];
  else

THREAD_SELF就是当前线程的struct pthread *。

C代码跟汇编代码对照着看，就非常easy找到specific_1stblock的偏移量。汇编中的edi寄存器就是传入的參数pthread_key_t key。


mov %fs:0x10,%rdx这一行代码使用了fs寄存器。跟上面看到的pthread_self函数的方法一样，这就能够确定是获取struct pthread *的地址。
那么接下来的一行lea 0x310(%rdx,%rax,1),%rdx自然就是获取specific_1stblock的值了。这一行中rdx寄存器存放struct pthread*。rax存放key * sizeof(struct pthread_key_data)，最后把rdx + (rax * 1) + 0x310的值放入了rdx中，非常明显，0x310就是specific_1stblock的偏移量(0x310)。

到眼下为止。已经准备好了全部获取TLS变量的条件，sizeof(struct pthread)和specific_1stblock的偏移量。以下就開始动手測试验证。

測试

写一个使用TLS的測试代码
这个代码创建了一个线程变量和一个线程，创建出来的线程设置了线程变量的值。

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_key_t key;

void *thread_func(void *arg)
{
    pthread_setspecific(key, (const void *)0x12345678); // 设置一个特殊的值方便检測測试结果
    sleep(100); // 睡眠一段时间用来生成core文件
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_key_create(&key, NULL);
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_join(tid, NULL);

    return 0;
}

编译

g++ -lpthread test.cpp

默认生成a.out。直接运行，会在sleep中暂停一段时间，用gdb attach上去。
运行info thread

(gdb) info thread
  2 Thread 0x7f6cc2d15710 (LWP 15000)  0x0000003bcd0a6a8d in nanosleep () from /lib64/libc.so.6
* 1 Thread 0x7f6cc2d17720 (LWP 14999)  0x0000003bcd40803d in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
(gdb)

我们来看Thread 2，就是创建出来的线程。
运行thread 2切换到线程2。
运行call pthread_self()。结果却得到

(gdb) call pthread_self()
$8 = -1026468080

改成十六进制打印

(gdb) p/x $8
$9 = 0xc2d15710

明显还是不正确，相当无语，gdb的call指令仅仅打印了4个字节。只是略微注意一下就发现了info thread输出的结果，有一个数据和这里一样：

2 Thread 0x7f6cc2d15710 (LWP 15000)  0x0000003bcd0a6a8d in nanosleep () from /lib64/libc.so.6

Thread后面的数字，就是pthread的地址。只是这个数据在调试core文件时并没有打印：

(gdb) info thread
  2 Thread 14999  0x0000003bcd40803d in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
* 1 Thread 15000  0x0000003bcd0a6a8d in nanosleep () from /lib64/libc.so.6

尽管运行的结果与预期不符，可是还好拿到了pthread的地址。接下来找到这个线程所在的内存段。就是栈区间。进程的数据段信息能够从/proc/pid/maps文件里看到。当中pid是进程号。

这是我測试出来的进程中的内存信息：

7f6cc2315000-7f6cc2316000 ---p 00000000 00:00 0 
7f6cc2316000-7f6cc2d1d000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fff4c321000-7fff4c337000 rw-p 00000000 00:00 0  [stack]
7fff4c35a000-7fff4c35b000 r-xp 00000000 00:00 0  [vdso]

非常明显。0x7f6cc2d15710属于这一段：

7f6cc2316000-7f6cc2d1d000 rw-p 00000000 00:00 0

这就是线程2的栈空间。因为栈是从上往下增长的，那么栈底就是7f6cc2d1d000。它与0x7f6cc2d15710的距离是0x78f0。

在gdb中用gcore命令生成一个core文件。用gdb打开core文件验证測试，并找出TLS的值。

gdb a.out core

打印出core文件记录的程序内存段

(gdb) info files
Symbols from "/data01/usergrp/wangyl11/a.out".
Local core dump file:
        `/data01/usergrp/wangyl11/core.14999', file type elf64-x86-64.
        0x0000000000400000 - 0x0000000000400000 is load1
        0x0000000000600000 - 0x0000000000601000 is load2
        0x00000000006d1000 - 0x00000000006f2000 is load3
        .............................
        0x0000003bcde83000 - 0x0000003bcde84000 is load24
        0x00007f6cc2316000 - 0x00007f6cc2d1d000 is load25
        0x00007fff4c321000 - 0x00007fff4c337000 is load26
        0x00007fff4c35a000 - 0x00007fff4c35b000 is load27
        0xffffffffff600000 - 0xffffffffff601000 is load28
        ........

一大堆内存段。哪个才是自己要找的线程呢？

线程所处的空间是一个栈空间，那仅仅要找到某个线程的栈上的变量或者其他信息，再依据这个信息就能够找到相应的内存段。有一个非常easy查看的栈信息就是栈寄存器rsp。

看下线程的栈寄存器：

(gdb) thread 1
[Switching to thread 1 (Thread 15000)]#0  0x0000003bcd0a6a8d in nanosleep () from /lib64/libc.so.6
(gdb) info reg rsp
rsp            0x7f6cc2d14c90   0x7f6cc2d14c90

这样就找到了这个段：

0x00007f6cc2316000 - 0x00007f6cc2d1d000 is load25

这一段也是刚才看到的线程栈空间。

拿栈底的地址就是 0x00007f6cc2d1d000，减去pthread偏移0x78f0就是 0x‭7F6CC2D15710‬，再加上specific_1stblock的偏移量0x310，得到‭0x7F6CC2D15A20‬。

最后一个，验证拿到地址正确性：

(gdb) x/2xg 0x7F6CC2D15A20
0x7f6cc2d15a20: 0x0000000000000001      0x0000000012345678

大功告成。上面的结果，第一个数字是seq，第二个是data(这两个是struct pthread_key_data的成员)。

尽管验证的core文件正好是拿运行程序生成的，只是就是再运行一次生成一个新的core文件，这种方法一样适用。

只是这也有受限的地方。最重要的原因是觉得线程数据struct pthread就位于栈底，而栈在进程空间中是单独的一个内存段。假设这个栈空间是由用户创建线程时提供的。这种方法就可能不会适用。希望后面能找到更通用的方法，也许GDB会直接提供命令訪问线程变量。

总结

  1. 先找到struct pthread地址。

    能够通过gdb跟踪正在运行的程序，查找进程栈内存空间，找到距离栈底的距离；

  2. 通过反汇编pthread_getspecific。找到specific_1stblock相对于struct pthread *的偏移量；
  3. 在core文件里，通过栈寄存器rsp的地址，找到该线程所处内存段，依据上两步的信息，计算出specific_1stblock的地址，进而打印出TLS变量的值。

NOTE: 此方法受限于GLIBC自己创建的内存栈空间和Linux X86_64环境。

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