浅谈Linux系统中的异常堆栈跟踪的简单实现

什么是异常堆栈跟踪？

在Linux系统中，异常堆栈跟踪（Exception Stack Tracing）是一种找出内核空间代码异常的技术。当操作系统内核出现异常时，堆栈跟踪可以记录每个程序执行的位置，并以可视化的方式展示出来，帮助开发者快速定位和修复程序错误。

实现方法

异常堆栈跟踪的实现需要使用一些工具和技术。以下是一个简单的实现过程：

1. 安装必要的工具

需要安装以下工具：

• 带有支持异常堆栈跟踪的Linux内核；
• gcc和gdb等调试工具。

2. 开启内核的调试选项

开启CONFIG_DEBUG_KERNEL选项可以使内核在异常发生时向控制台打印堆栈跟踪信息，以便开发人员进行调试。在编译内核时，需要进行如下配置：

# make menuconfig
-> General setup
    -> Kernel debugging
        -> Configure standard kernel symbols (CONFIG_DEBUG_KERNEL=y)

3. 编译并安装内核

完成第二步的配置后，编译内核并进行安装，可以在新内核下启动系统，这样可以查看到内核在发生异常时所输出的堆栈跟踪信息。

4. 在代码中设置断点

在需要进行调试的代码中设置断点，可以使用gdb进行调试。

5. 执行程序并检查堆栈跟踪信息

以一个简单的C++程序为例：

#include <iostream>
#include <cstdlib>

void foo() {
    std::cout << "Hello from foo" << std::endl;
    std::exit(0);
}

void bar() {
    std::cout << "Hello from bar" << std::endl;
    foo();
}

int main() {
    std::cout << "Hello from main" << std::endl;
    bar();
    return 0;
}

可以在需要调试的函数中设置断点。例如，在函数bar()中设置断点：

(gdb) break bar
Breakpoint 1 at 0x8048650: file test.cpp, line 9.

然后执行程序：

$ ./test
Hello from main
Breakpoint 1, bar () at test.cpp:9
9       std::cout << "Hello from bar" << std::endl;

当程序执行到断点位置时，gdb会停止执行并提供一个调试界面。可以使用bt命令来查看堆栈信息，并确定程序出错的地方。

示例

示例1

假设我们有一个名为test.c的程序，其内容如下：

#include <stdio.h>

void foo(int i) {
        printf("foo %d\n",i);
}

void bar(int i) {
        foo(i+1);
}

void baz() {
        bar(3);
}

void main() {
        baz();
}

我们想要在使用gdb进行调试时，查看堆栈跟踪信息。因此，可以进行如下操作：

$ gcc -ggdb -O0 -o test test.c

编译完成后，我们可以通过gdb来执行程序并查看堆栈信息：

$ gdb ./test
(gdb) run

当程序在baz函数出现异常时，gdb会停止函数执行并显示堆栈信息：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x00000000004005bd in foo (i=4) at test.c:4
4               printf("foo %d",i);
(gdb) bt
#0  0x00000000004005bd in foo (i=4) at test.c:4
#1  0x00000000004005ce in bar (i=3) at test.c:8
#2  0x00000000004005d9 in baz () at test.c:12
#3  0x00000000004005f5 in main () at test.c:16

上述结果表明，在foo函数中发生了段错误（Segmentation fault）异常，且i的值为4。通过查看堆栈信息，我们可以确认程序出错的位置，从而进行修复。

示例2

假设我们有一个名为test.sh的脚本文件，其内容如下：

#!/bin/bash
set -e

foo() {
    echo "Hello from foo"
    exit 0
}

bar() {
    echo "Hello from bar"
    foo
}

echo "Hello from main"
bar

我们想要在使用bash进行运行时，查看堆栈信息。因此，可以进行如下操作：

$ bash -x test.sh

运行结果如下：

+ echo 'Hello from main'
Hello from main
+ bar
+ echo 'Hello from bar'
Hello from bar
+ foo
+ echo 'Hello from foo'
Hello from foo
+ exit 0

从运行结果中，我们可以看到程序执行到foo函数时，发生了异常并退出了程序，同时我们也可以查看到执行到foo函数时的堆栈信息，便于我们进行调试和解决问题。

总结

以上是浅谈Linux系统中异常堆栈跟踪的简单实现方法。通过配置内核和使用调试工具，我们可以轻松地查看异常堆栈跟踪信息，从而快速定位和修复程序错误。