loop in codes

Kevin Lynx BLOG

C/C++中手动获取调用堆栈

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:

void g() {
    int *p = 0;
    long a = 0x1234;
    printf("%p %x\n", &a, a);
    printf("%p %x\n", &p, p);
    f();
    *p = 1;
}

void b(int argc, char **argv) {
    printf("%p %p\n", &argc, &argv);
    g();
}

int main(int argc, char **argv) {
    b(argc, argv);
    return 0;
}

在函数g()中断点,看看堆栈中的内容(64位机器):

(gdb) p $rbp
$2 = (void *) 0x7fffffffe370
(gdb) p &p
$3 = (int **) 0x7fffffffe368
(gdb) p $rsp
$4 = (void *) 0x7fffffffe360
(gdb) x/8ag $rbp-16
0x7fffffffe360: 0x1234  0x0
0x7fffffffe370: 0x7fffffffe390  0x400631 <b(int, char**)+43>
0x7fffffffe380: 0x7fffffffe498  0x1a561cbc0
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>0x40064f <main(int, char**)+27>中的代码:

(gdb) disassemble 0x400631
...
0x0000000000400627 <b(int, char**)+33>: callq  0x400468 <printf@plt>
0x000000000040062c <b(int, char**)+38>: callq  0x4005ae <g()>
0x0000000000400631 <b(int, char**)+43>: leaveq                           # call的下一条指令
...

(gdb) disassemble 0x40064f
... 
0x000000000040063f <main(int, char**)+11>:      mov    %rsi,-0x10(%rbp)
0x0000000000400643 <main(int, char**)+15>:      mov    -0x10(%rbp),%rsi
0x0000000000400647 <main(int, char**)+19>:      mov    -0x4(%rbp),%edi
0x000000000040064a <main(int, char**)+22>:      callq  0x400606 <b(int, char**)>
0x000000000040064f <main(int, char**)+27>:      mov    $0x0,%eax         # call的下一条指令
...

顺带一提,每个函数入口和出口,对应的设置RBP代码为:

(gdb) disassemble g
...
0x00000000004005ae <g()+0>:     push   %rbp               # 保存调用者的RBP到堆栈
0x00000000004005af <g()+1>:     mov    %rsp,%rbp          # 设置自己的RBP
...
0x0000000000400603 <g()+85>:    leaveq                    # 等同于:movq %rbp, %rsp
                                                          #         popq %rbp
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:

void f() {
    long *p = 0;
    p = (long*) (&p + 1); // 取得g()的RBP
    *p = 0;  // 破坏g()的RBP
}

void g() {
    int *p = 0;
    long a = 0x1234;
    printf("%p %x\n", &a, a);
    printf("%p %x\n", &p, p);
    f();
    *p = 1; // 写0地址导致一次core
}

void b(int argc, char **argv) {
    printf("%p %p\n", &argc, &argv);
    g();
}

int main(int argc, char **argv) {
    b(argc, argv);
    return 0;
}

使用gdb运行该程序:

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
g () at ebp.c:37
37          *p = 1;
(gdb) bt
Cannot access memory at address 0x8
(gdb) p $rbp
$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:

(gdb) p $rsp
$2 = (void *) 0x7fffffffe360
(gdb) x/8ag $rsp+16             # g()中局部变量占16字节
0x7fffffffe370: 0x7fffffffe390  0x400631 <b(int, char**)+43>
0x7fffffffe380: 0x7fffffffe498  0x1a561cbc0
0x7fffffffe390: 0x7fffffffe3b0  0x40064f <main(int, char**)+27>
0x7fffffffe3a0: 0x7fffffffe498  0x100000000

基于以上就可以手工找到调用堆栈:

g()
0x400631 <b(int, char**)+43>
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:

void f2() {
    int a = 0x1234;
    if (a > 0) {
        int b = 0xff;
        b = a;
    }
}

gcc中使用-fomit-frame-pointer生成的代码为:

(gdb) disassemble f2
Dump of assembler code for function f2:
0x00000000004004a5 <f2+0>:      movl   $0x1234,-0x8(%rsp)    # int a = 0x1234
0x00000000004004ad <f2+8>:      cmpl   $0x0,-0x8(%rsp)       
0x00000000004004b2 <f2+13>:     jle    0x4004c4 <f2+31>      
0x00000000004004b4 <f2+15>:     movl   $0xff,-0x4(%rsp)      # int b = 0xff
0x00000000004004bc <f2+23>:     mov    -0x8(%rsp),%eax
0x00000000004004c0 <f2+27>:     mov    %eax,-0x4(%rsp)
0x00000000004004c4 <f2+31>:     retq

可以发现f2()没有操作RBP之类的指令了。

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