c语言 栈回溯
RBP 寄存器栈帧回溯
栈帧：每个函数调用时，都需要在用户栈中存储一些临时变量，参数，返回地址，还有一些和函数相关的信息。在函数调用完后，栈帧会被销毁，释放，这个过程是自动的。
原理：rbp寄存器存储了当前函数栈帧地址，每当调用一个新的函数时，会先把当前函数的栈帧地址（rbp寄存器值） push 进栈，然后 rbp寄存器存储新函数的起始栈地址。有了 rbp 存储当前的栈帧地址，以及每个函数调用都压入前一个函数的栈帧起始地址，构成了一个链表，用于回溯堆栈。
如下图，foo1->foo2->foo3 调用链：
返回地址
通过 rbp 可以回溯每个函数的调用起始栈地址，但和函数名信息没啥关系。我们还需要知道返回地址信息，来回溯函数名。在函数调用时，即 call 某个函数时，都会先将返回地址保存到栈中，然后再跳到那个子函数去执行指令。当前函数保存了返回地址，以便子函数调用完后，pop return address to ip，能顺序接着执行下一条指令。看上图所示，都是父函数保存子函数的返回地址。
由于栈的生长方向都是从高地址向低地址增长，所以我们可以通过 rbp + 8 来获取当前函数的返回地址。有了返回地址，我们再通过 backtrace_symbols函数接口来获取函数名信息。
举例代码：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <execinfo.h>
#define BACKTRACE_SIZ 32
int show_backtrace() {
int sz = 0;
void *ip[BACKTRACE_SIZ];
void **fp = __builtin_frame_address(0); // // 获取 rbp 寄存器值
for (;sz < BACKTRACE_SIZ;) {
ip[sz++] = *((void **)fp + 1); // 获取当前调用函数的返回地址
void **next_fp = *fp;
if (next_fp <= fp) break;
fp = next_fp;
}
char **strings = backtrace_symbols(ip, sz); // 通过返回地址，获取函数名符号信息
for (size_t i = 0; i < sz; i++) {
printf("%p : %s\n", ip[i], strings[i]);
}
free(strings); // malloced by backtrace_symbols
}
void c() {
show_backtrace();
printf("C \n");
}
void b() {
c();
printf("B \n");
}
void a() {
b();
printf("A \n");
}
int main(int argc, char const *argv[]) {
a();
return 0;
}
/**
gcc main.c -rdynamic && ./a.out
运行结果：
0x65196cb34317 : ./a.out(c+0x12) [0x65196cb34317]
0x65196cb3433b : ./a.out(b+0x12) [0x65196cb3433b]
0x65196cb3435f : ./a.out(a+0x12) [0x65196cb3435f]
0x65196cb3438e : ./a.out(main+0x1d) [0x65196cb3438e]
0x7cd4ea429d90 : /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x29d90) [0x7cd4ea429d90]
C
B
A
**/编译时使用-rdynamic把调试信息链接进文件，运行会打印出详细的符号信息。
eh_frame 栈回溯
使用 rbp 寄存器栈回溯，虽然实现简单，但也有一定的局限性。比如编译时，需要带上-rdynamic获取更多调试信息。而实际线上，我们很少使用这个编译选项，而且我们使用到的 Linux 库或者第三方库绝大多数选项选择忽略帧指针。使用 ebp寄存器保存栈帧信息，编译成汇编代码，也会有指令开销。
所以，一般我们编译时，都不会带上-rdynamic，而且线上项目，优化等级一般调到 -O2 以上。使用了 -O2级别优化， ebp 寄存器也不会用来存储堆栈地址了，编译器会把它当作一个普通的寄存器来使用。
我们采用另外一种方式来进行栈回溯。在Linux下，gcc 编译后的二级制可执行文件，它的格式是 elf （Executable and Linking Format）类型的。其中就包含了堆栈展开所需要的基本信息，这些基本信息就放在 elf 格式文件中的 .eh_frame 里面。
关于 elf 文件格式和 .eh_frame 的内容比较多，需要先了解下，具体可以先参考 Linux ELF文件格式分析 和 当没有了framepointer该如何进行栈回溯？
我们可以通过 readelf -wF a.out 查看 a.out elf 文件的 eh_frame 段。
lindx@ldx:~/study$ readelf -s a.out |grep FUNC|grep c
35: 0000000000001305 36 FUNC GLOBAL DEFAULT 16 c
lindx@ldx:~/study$ readelf -wF a.out |grep -A 10 1305
000000a8 000000000000001c 000000ac FDE cie=00000000 pc=0000000000001305..0000000000001329
LOC CFA rbp ra
0000000000001305 rsp+8 u c-8
000000000000130a rsp+16 c-16 c-8
000000000000130d rbp+16 c-16 c-8
0000000000001328 rsp+8 c-16 c-8我们对 c 函数进行分析，先查看 c 函数对应的偏移地址： 0x1305，然后再通过 readelf -wF 查看过滤 1305 对应的 FDE（Frame Description Entry）。FDE 存储了异常处理以及堆栈展开所需要的元数据，现在我们就是利用它来做堆栈回溯。
这张表的结构设计如下：
- LOC 是相对于函数入口点的偏移地址。
- CFA 是上一级调用者的堆栈指针，它的值是在执行（不是执行完）当前函数(callee)的 caller 的 call指令 时的 RSP 值。简单的理解就是，每个函数都有栈帧，然后都有一个栈帧指针，用来索引栈上的变量，参数等，因为 rbp 不可靠，所以，我们只能通过 rsp 来进行栈帧索引，即使用优化选项-O3，rsp 也是可以用来索引栈中数据的。至于怎么索引，不是本文重点，我们栈回溯，需要通过当前 rsp 来计算出调用函数的 CFA，和当前函数返回地址 ra。然后通过 CFA 和 ra 不断回溯。
- 其余列，由寄存器编号标记。堆栈展开可能用到的寄存器，其中包括一些在某些架构上具有特殊名称的寄存器，例如PC和堆栈指针寄存器。
比如上面例子，假设当前 PC 值为 0x1328，我们可以通过汇编指令，获取到当前寄存器 rsp，rbp 的值。然后，对比 LOC，发现使用第4条规则，CFA = rsp + 8，得到 CFA 值，再计算出返回地址 ra = CFA - 8 = rsp +8 - 8 = rsp。这时候，我们就拿到了当前函数的返回地址值。然后，再根据返回地址 ra 找到对应父函数的 FDE，此时，ra 可以当做父函数的 PC 值来查找对应的 LOC 条目，CFA 当做父函数的 rsp 值，计算父函数新的 ra 以及 CFA，这样不断通过 ra 查找 FDE 进行回溯，直到 ra 为 0，回溯终止。
一个函数对应一个 FDE，网上找了一个对 FDE 介绍比较好的图：
图片来源：linux 栈回溯(x86_64 )
原理介绍完了，我们通过一个例子进行介绍 eh_frame 如何进行栈回溯的，加深印象，在此之前，我们借用网上开源的 unread 项目来解析二进制文件的 eh_frame 部分。
思路：
- 读取 elf 文件，解析 .eh_frame 段内容
- 根据 .eh_frame 中的 cfe 计算规则映射到一个运行时的函数（虚拟地址）
- 解析 elf 文件的 .symtab 符号表段，获取所有函数名以及对应的虚拟地址
- 根据当前运行到的 pc 指针，找到在哪个 cfe 范围，进一步根据 LOC 条目回溯
虚拟地址计算：
虚拟地址 = /proc/pid/maps 的可执行段起始虚拟地址 + （elf符号表对应的相对地址 - /proc/pid/maps 对应段的虚拟偏移地址）
比如上面例子中的 a.out 文件，函数 c 固定相对地址 0x1305，那么运行时 c 函数的虚拟地址为 0x135 + 0x62992821b000 - 0x1000 = 0x62992821b305。
由于 unread 很久没维护过了，在对寄存器枚举定义 register_index有一点问题，我进行了顺序调整，一般寄存器排布如下：
此外，还有不少地方进行了调整，具体看修改后的代码 unread-modify
这里使用的是 Ubuntu 24.04 版本，给出运行结果：
lindx@ldx:/media/sf_shared/unread-modify$ make
gcc src/*.c -o test
lindx@ldx:/media/sf_shared/unread-modify$ ls
Makefile src test
lindx@ldx:/media/sf_shared/unread-modify$ ./test
[INFO] ---> /media/sf_shared/unread-modify/test (5e45f1314000-5e45f1319000 1000)
0x5e45f131826d: c11(0x525b)
0x5e45f1318291: b(0x527f)
0x5e45f13182b5: a(0x52a3)
0x5e45f13182e4: main(0x52c7)
C
B
A通过 .eh_frame 栈回溯，我们成功获取到 main->a->b->c11 函数调用链。
