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C/C++中手動獲取調用堆棧【轉】

本文轉載自   查看原文   2017-10-12 09:38   2288    【嵌入式基礎】

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

版權聲明：本文為博主原創文章，未經博主允許不得轉載。

當我們的程序core掉之后，如果能獲取到core時的函數調用堆棧將非常有利於定位問題。在Windows下可以使用SEH機制；在Linux下通過gdb使用coredump文件即可。

但有時候由於某些錯誤導致堆棧被破壞，發生拿不到調用堆棧的情況。

一些基礎預備知識本文不再詳述，可以參考以下文章：

需要知道的信息：

  • 函數調用對應的call指令本質上是先壓入下一條指令的地址到堆棧，然后跳轉到目標函數地址
  • 函數返回指令ret則是從堆棧取出一個地址，然后跳轉到該地址
  • EBP寄存器始終指向當前執行函數相關信息（局部變量）所在棧中的位置，ESP則始終指向棧頂
  • 每一個函數入口都會保存調用者的EBP值，在出口處都會重設EBP值，從而實現函數調用的現場保存及現場恢復
  • 64位機器增加了不少寄存器，從而使得函數調用的參數大部分時候可以通過寄存器傳遞；同時寄存器名字發生改變，例如EBP變為RBP

在函數調用中堆棧的情況可用下圖說明：

將代碼對應起來：

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

在函數g()中斷點，看看堆棧中的內容(64位機器)：

[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>  

對應的堆棧圖：

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

[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的下一條指令  
  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的下一條指令  
  15. ...  

順帶一提，每個函數入口和出口，對應的設置RBP代碼為：

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

由以上可見，通過當前的RSP或RBP就可以找到調用堆棧中所有函數的RBP；找到了RBP就可以找到函數地址。因為，任何時候的RBP指向的堆棧位置就是上一個函數的RBP；而任何時候RBP所在堆棧中的前一個位置就是函數返回地址。

由此我們可以自己構建一個導致gdb無法取得調用堆棧的例子：

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

使用gdb運行該程序：

[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無法獲取堆棧，在函數g()中RBP被改寫為0，gdb從0偏移一個地址長度即0x8，嘗試從0x8內存位置獲取函數地址，然后提示Cannot access memory at address 0x8。

RBP出現了問題，我們就可以通過RSP來手動獲取調用堆棧。因為RSP是不會被破壞的，要通過RSP獲取調用堆棧則需要偏移一些局部變量所占的空間：

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

基於以上就可以手工找到調用堆棧：

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

上面的例子本質上也是破壞堆棧，並且僅僅破壞了保存了的RBP。在實際情況中，堆棧可能會被破壞得更多，則可能導致手動定位也較困難。

堆棧被破壞還可能導致更多的問題，例如覆蓋了函數返回地址，則會導致RIP錯誤；例如堆棧的不平衡。導致堆棧被破壞的原因也有很多，例如局部數組越界；delete/free棧上對象等。

omit-frame-pointer

使用RBP獲取調用堆棧相對比較容易。但現在編譯器都可以設置不使用RBP(gcc使用-fomit-frame-pointer，msvc使用/Oy)，對於函數而言不設置其RBP意味着可以節省若干條指令。在函數內部則完全使用RSP的偏移來定位局部變量，包括嵌套作用域里的局部變量，即使程序實際運行時不會進入這個作用域。

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生成的代碼為：

[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  

可以發現f2()沒有操作RBP之類的指令了。

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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