Linux内核调试方法总结之栈帧

栈帧

栈帧和指针可以说是C语言的精髓。栈帧是一种特殊的数据结构，在C语言函数调用时，栈帧用来保存当前函数的父一级函数的栈底指针，当前函数的局部变量以及被调用函数返回后下一条汇编指令的地址。如下图所示：

                       

栈帧位于栈内存中，接下里我们用一个实例展示一下栈帧的入栈和退栈过程。

 stackframe.c

#include <stdio.h>

int func(int m, int n)

{

　　return m+n;

}

int main()

{

　　int m = 8;

　　int n = 6;

 

　　func(m, n);

 

　　return 0;

}

#gcc –g stackframe.c –o stackframe （编译）

#objdump –dS stackframe > stackframe.S （反汇编）

 

从133~139行我们可以看到main函数栈帧的形成过程（入栈操作）：

1）    push %rbp 将上一级函数栈帧的栈底指针压栈

2）    mov %rsp, %rbp 将BP指针指向SP，因为上一级函数的栈顶指针是下一级函数的栈底指针，证明栈帧是依次向下增长的

3）    sub $0x10, %rsp SP栈顶指针向下位移16个字节，即创建main函数栈帧。这个地方为什么是16个字节呢？是因为上一级函数栈底指针和当前函数返回时下一条指令地址各占4个字节，m和n两个整形变量各占4个字节，加起来就是16个字节。

4）    movl $0x8, -0x4(%rbp) 将变量m压栈

5）    movl $0x6, -0x8(%rbp) 将变量n压栈

6）    mov -0x8(%rbp), %edx      将m变量值加载到edx寄存器

mov -0x4(%rbp), %eax     将n变量值加载到eax寄存器

mov %edx, %esi

mov %eax, %edi

7）callq 4004c4 <func> 调用callq指令跳转到func函数段，同时压栈EIP+4，即返回func函数时下一条可执行指令的地址

 

从func函数的反汇编代码可以看到，0x4004c4地址就是func函数开始处，和前面的callq对应。在进入func函数段之后，就是func函数压栈的动作，基本顺序和前面的main函数压栈过程一致。这个地方需要注意的是，首先是mov %edi, -0x4(rbp)，从前面的汇编代码可以看到%edi保存的是n变量的值，其次才执行mov %esi, -0x8(rbp)压栈m变量值，证明函数参数的传递顺序是从右往左。另外，这个操作过程演示了实参传递的过程，那么形参传递和指针传递又是怎么样的呢？有兴趣可以试一下。

 

前面的描述详细介绍了函数栈帧的形成过程，也就是函数调用的底层实现。之所以要重点介绍这一部分内容，是因为在Linux系统出现死机或者异常重启情况时，我们通常会获取死机时的backtrace信息，即函数调用顺序和函数入参，这样我们就可以精准地定位到导致死机的代码段进一步分析。而backtrace就是通过对函数栈帧进行逆推得到的。

 

前面介绍的是Intel X86架构栈帧的实现原理，和ARM平台上的栈帧实现略有差异，ARM平台栈帧会依次压栈PC指针寄存器值，LR返回指针寄存器值，SP栈顶指针寄存器值，FP栈底指针寄存器值，函数入参，局部变量，即将调用的函数的参数。从本质上讲，栈帧是为了记录函数调用过程，不同平台会压栈不同的数据，但是基本上都是大同小异的。

 

之所以要重点介绍栈帧这一部分内容，是因为代码调试的最有效方法是获取系统崩溃时的系统运行上下文，包括寄存器组值、函数调用栈，这样我们就能缩小定位范围，详细地知道函数的入参，执行到哪一条指令出的问题。这种backtrace的思路贯穿Linux内核调试、Native层应用调试（用户空间C/C++可执行文件、静态库、动态库）、Java层调试，因此衍生出了ramdump, coredump, Exception.printStack()等技术，其目的就是为了获取函数调用栈信息。