如何使用backtrace定位Linux程序的崩溃位置

在嵌入式Linux开发中，特别是复杂软件，多人协作开发时，当某人无意间写了一个代码bug导致程序崩溃，但又不知道崩溃的具体位置时，单纯靠走读代码，很难快速的定位问题。

本篇就来介绍一种方法，使用backtrace工具，来辅助定位程序崩溃的位置信息。

backtrace是 C/C++ 中用于获取程序调用栈信息的函数，借助backtrace可以排查崩溃并定位代码行号。

1 backtrace分析程序崩溃的原理

在linux系统中，运行程序若发生崩溃，会产生相应的信号，例如访问空指针会触发SIGSEGV（signum：11）。

这时可以使用signal函数来捕获这个信息，捕获信号后，支持自定义的handler函数进行一些处理。

在自定义的handler函数中，可以使用backtrace函数，来打印程序调用栈信息。

最后使用addr2line函数，将地址转换为可读的函数名和行号。

使用backtrace分析程序崩溃，需要在编译时使用 -g 选项生成的调试信息。

使用addr2line工具，将地址转换为可读的函数名和行号，实例如下：

addr2line -e 程序名 -f -C 0x400526
# 输出：
main
/path/to/main.c:42

2 一些要用到的函数

2.1 signal

2.1.1 函数原型

在 C 和 C++ 中，signal 函数用于设置信号处理方式。

其原型定义在 <signal.h> 头文件中：

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数说明：

• int signum：信号编号（整数），如：
  • SIGINT（2）：中断信号（Ctrl+C）
  • SIGSEGV（11）：段错误
  • SIGILL（4）：非法指令
  • SIGTERM（15）：终止信号
  • SIGFPE（8）：浮点异常
• sighandler_t handler：信号处理函数指针，有三种取值：
  • 用户定义函数：void handler(int signum) 类型的函数
  • SIG_DFL：默认处理（如终止程序）
  • SIG_IGN：忽略该信号

返回值：

• 成功：返回之前的信号处理函数指针
• 失败：返回 SIG_ERR，并设置 errno（如 EINVAL 表示无效信号）

2.1.2 常见信号列表

信号分类：

• 不可捕获信号：无法通过signal或sigaction修改处理方式，只能由系统强制控制。
  • SIGKILL（9）
  • SIGSTOP（19）
• 用户自定义信号：可由程序自由定义处理逻辑，常用于进程间通信或调试。
  • SIGUSR1（10）
  • SIGUSR2（12）
• 异常信号：通常由程序错误（如内存操作异常）触发，默认会生成 Core 文件用于调试。
  • SIGBUS（7）
  • SIGSEGV（11）
  • …

默认行为的差异：

• 多数信号的默认行为是终止程序，但部分信号（如SIGCHLD）默认会被忽略，而SIGCONT则用于恢复进程运行。

2.2 backtrace

在 C 和 C++ 中，backtrace 函数用于获取当前程序的调用堆栈信息，常用于调试和错误处理。

其原型定义在 <execinfo.h> 头文件中：

/* 获取当前调用堆栈中的函数地址 */
int backtrace(void **buffer, int size);

• 参数
  • void **buffer：指向存储函数地址的数组的指针。
  • int size：数组的最大元素数（即最多获取的堆栈帧数）。
• 返回值
  • 成功：返回实际获取的堆栈帧数（不超过 size）。
  • 失败：返回 0（极罕见，通常仅在内存不足时发生）。

2.3 backtrace_symbols

/* 将函数地址转换为可读的字符串（如函数名、偏移量） */
char **backtrace_symbols(void *const *buffer, int size);

• 参数
  • void *const *buffer：backtrace返回的函数地址数组
  • int size：backtrace返回的实际帧数
• 返回值
  • 成功：返回指向字符串数组的指针，每个元素对应一个堆栈帧（需用 free() 释放）
  • 失败：返回 NULL，并设置 errno

2.4 backtrace_symbols_fd

/* 将函数地址直接输出到文件 */
void backtrace_symbols_fd(void *const *buffer, int size, int fd);

• 参数
  • void *const *buffer：同 backtrace_symbols
  • int size：同 backtrace_symbols
  • int fd：文件描述符（如 STDERR_FILENO），用于输出结果
• 返回值：无（直接输出到文件）

3 实例代码

3.1 主函数

//g++ -g test.cpp -o test
#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <csignal>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <vector>

//<---信号处理函数添加到这里

void TestFun()
{
    printf("[%s] in\n", __func__);
	std::vector<int> a;
	printf("[%s] a[1]=%d\n", __func__, a[1]);
}

int main()
{
    std::vector<int> vSignalType = {SIGILL, SIGSEGV, SIGABRT};                             
    for (int &signalType : vSignalType)
    {
        if (SIG_ERR == signal(signalType, SignalHandler))
        {
            printf("[%s] signal for signalType:%d err\n", __func__, signalType);
        }
    }

	TestFun();
	return 0;
}

3.2 信号处理函数

#define MAX_STACK_FRAMES 100

void SignalHandler(int signum)
{
    printf("[%s] signum:%d(%s)\n", __func__, signum, strsignal(signum));
    signal(signum, SIG_DFL); //恢复默认行为

    // [backtrace] 获取当前调用堆栈中的函数地址
    void *buffer[MAX_STACK_FRAMES];
    size_t size = backtrace(buffer, MAX_STACK_FRAMES);
    printf("[%s] backtrace() return %zu address. Stack trace:\n", __func__, size);
    
    // [backtrace_symbols] 将函数地址转换为可读的字符串
    char **symbols = (char **) backtrace_symbols(buffer, size);
    if (symbols == NULL) 
    {
        printf("[%s] backtrace_symbols() null\n", __func__);
        return;
    }

    for (size_t i = 0; i < size; ++i)
    {
        printf("#%d %s\n", (int)i, symbols[i]); //打印每一个函数地址
    }
    free(symbols);
    
    // [backtrace_symbols_fd] 将函数地址直接输出到文件
    int fd = open("backtrace.txt", O_CREAT | O_WRONLY, S_IRWXU | S_IRWXG | S_IRWXO);
    if (fd >= 0)
    {
        backtrace_symbols_fd(buffer, size, fd);
        close(fd);
    }
}

3.3 addr2line解析backtrace信息

#!/bin/sh

if [ $# -lt 2 ]; then
	echo "example: myaddr2line.sh test backtrace.log"
	exit 1
fi

BIN_FILE=$1
BACK_TRACE_FILE=$2

lines=$(cat $BACK_TRACE_FILE | grep ${BIN_FILE})
for line in ${lines}; do
	addr=$(echo $line | awk -F '(' '{print $2}' | awk -F ')' '{print $1}')
	addr2line -e ${BIN_FILE} -C -f $addr
done

addr2line 是一个用于将程序地址（如内存地址）转换为源代码位置（文件名和行号）的工具。以下是其常用参数的详细含义：

3.4 测试结果

可以看到，定位到了test.cpp的50行为崩溃的位置，代码中的vector a没有赋值，直接访问vector[1]将会崩溃。

具体的调用栈关系为：

• main函数，test.cpp的65行：调用的TestFun函数
• TestFun函数，test.cpp的50行：执行的printf("[%s] a[1]=%d\n", __func__, a[1]);
• SignalHandler函数，test.cpp的20行：崩溃触发的SIGSEGV信号被捕获后，在SignalHandler函数中的backtrace被处理

SignalHandler函数中，通过backtrace_symbols打印的信息，与通过backtrace_symbols_fd保存在backtrace.txt文件中的信息，其实是一样的：

使用myaddr2line.sh脚本，可以方便打印所有的行号信息。

当然也可以手动使用addr2line来打印行号信息，只是效率较低。

另外，注意backtrace的地址，圆括号 () 和 方括号 [] 中的地址具有不同含义，分别对应 符号表中的函数地址 和 实际执行地址。

• 圆括号 (...) 中的地址

  • 含义：函数内部的 相对偏移量（相对于函数起始地址）
  • 格式：函数名+0x偏移量
  • 作用：指示崩溃发生在该函数的具体位置。

• 方括号 [...] 中的地址

  • 含义：指令在 内存中的实际地址（绝对地址）
  • 格式：0xXXXXXXXX
  • 作用：可直接用于 addr2line 等工具定位源代码

但在本示例程序测试中，却要使用圆括号中的地址，addr2line才能显示行号，这里有待再研究。

4 总结

本篇介绍了如何使用backtrace工具来定位Linux应用程序崩溃的位置信息，首先通过signal捕获崩溃信息，然后通过backtrace记录崩溃时的堆栈调用信息，最后使用addr2line来显示对应的崩溃时的代码行号。