嵌入式C代碼調(diào)試利器backtrace介紹

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backtrace基本原理

backtrace英譯為回溯的意思，這聽起來有點專業(yè)了，其實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)系的一項功能。

所以backtrace調(diào)試功能的實現(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)，它在程序運行時動態(tài)生成和維護。當程序執(zhí)行函數(shù)調(diào)用時，它將當前函數(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。當程序出現(xiàn)錯誤或崩潰時，backtrace可以通過分析函數(shù)調(diào)用棧信息來確定出錯的位置和原因。

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來實現(xiàn)的。調(diào)試器會在程序執(zhí)行時，動態(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。當程序出現(xiàn)錯誤或崩潰時，調(diào)試器就可以利用保存的函數(shù)調(diào)用棧信息來進行backtrace操作。

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backtrace功能

而對于backtrace這個功能在不同的平臺和開發(fā)環(huán)境中的使用是不同的.

比如在我們平時的linux環(huán)境中:可以使用glibc提供的backtrace()函數(shù)實現(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，并將其打印到標準輸出或指定的文件中。

此外，還可以使用gdb或libunwind庫來實現(xiàn)backtrace功能。gdb是一個強大的調(diào)試器，可以實時追蹤程序的執(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則是一個開源的C/C++庫，也可以用于在運行時獲取當前程序的調(diào)用棧信息，并且在不同的平臺和架構(gòu)上運行，并提供了簡單易用的API接口，同樣也是非常方便的。

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glibc下的backtrace功能使用

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

包含頭文件：

#include

定義一個數(shù)組，用于存儲回溯信息：

#defineBT_BUF_SIZE100
void*bt_buffer[BT_BUF_SIZE];

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

3. 調(diào)用backtrace函數(shù)：

intbt_size=backtrace(bt_buffer,BT_BUF_SIZE);

該函數(shù)會獲取當前程序的調(diào)用棧信息，并將其存儲在bt_buffer數(shù)組中。bt_size表示實際獲取到的調(diào)用棧信息的條數(shù)，該值不會超過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)換成字符串數(shù)組，每個字符串表示一個調(diào)用棧信息。bt_strings指向字符串數(shù)組的首地址，需要在使用完畢后手動釋放內(nèi)存。

5. 打印回溯信息：

for(inti=0;i

	

	該代碼會將回溯信息打印到標準輸出中，可以根據(jù)需要進行調(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調(diào)用棧信息，格式為"函數(shù)名+偏移量+[地址]"。

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	gdb的backtrace功能

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

	下面以gdb為例來介紹如何使用backtrace：

	1、編譯程序時添加-g選項，以在可執(zhí)行文件中包含調(diào)試信息。因為backtrace函數(shù)需要獲取調(diào)用棧信息，因此需要包含符號信息。如果使用了-g選項進行編譯，則可以保證符號信息的完整性，如果沒有使用-g選項編譯程序，則可能會出現(xiàn)獲取不到符號信息的情況，導致backtrace函數(shù)無法正常工作。

	例如，使用gcc編譯時可以添加-g選項：

	
gcc-g-oprogramprogram.c

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

(gdb)breakmain
(gdb)run

 3、當程序崩潰或出現(xiàn)錯誤時，gdb會自動暫停程序的執(zhí)行，并顯示當前程序的調(diào)用棧信息?？梢允褂靡韵旅畈榭凑{(diào)用棧信息：這將顯示當前程序的調(diào)用棧信息，包括每個函數(shù)的名稱、參數(shù)和返回值等信息，以及每個函數(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誤的原因。

	

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	跟蹤的準確性

	在實現(xiàn)backtrace功能時，還需要注意一些細節(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操作的可靠性和準確性，下面簡單聊聊如下三個值得注意的方面:

	優(yōu)化選項：程序使用了-O選項進行優(yōu)化時，可能會改變函數(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確。因此，在使用backtrace函數(shù)時，建議關(guān)閉優(yōu)化選項，以保證其可靠性。

	棧溢出：如果程序發(fā)生棧溢出，可能會破壞調(diào)用棧信息，導致backtrace函數(shù)獲取到的信息不完整或不準確。因此，在程序中應該避免出現(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，每個線程都有自己的調(diào)用棧，因此需要在每個線程中分別調(diào)用backtrace函數(shù)來獲取相應的調(diào)用棧信息。此外，在多線程環(huán)境下，需要注意避免競爭條件的出現(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，需要注意編譯選項、優(yōu)化選項、棧溢出和線程安全等因素，以保證其可靠性。此外，不同的硬件平臺和操作系統(tǒng)可能有不同的backtrace實現(xiàn)方式和接口，需要使用相應的工具和API來實現(xiàn)。

	




	審核編輯：劉清