Linux下的段錯誤產生的原因及調試方法

   原文地址：http://www.upsdn.net/html/2006-11/775.html 
   參考地址：http://www.cnblogs.com/khler/archive/2010/09/16/1828349.html 

簡而言之,產生段錯誤就是訪問了錯誤的內存段，一般是你沒有權限，或者根本就不存在對應的物理內存,尤其常見的是訪問0地址.

一般來說,段錯誤就是指訪問的內存超出了系統所給這個程序的內存空間，通常這個值是由gdtr來保存的，他是一個48位的寄存器，其中的32位是保存由它指向的gdt表，后13位保存相應于gdt的下標，最后3位包括了程序是否在內存中以及程序的在cpu中的運行級別,指向的gdt是由以64位為一個單位的表，在這張表中就保存著程序運行的代碼段以及數據段的起始地址以及與此相應的段限和頁面交換還有程序運行級別還有內存粒度等等的信息。一旦一個程序發生了越界訪問，cpu就會產生相應的異常保護，于是segmentation fault就出現了.

在編程中以下幾類做法容易導致段錯誤,基本是是錯誤地使用指針引起的

1)訪問系統數據區，尤其是往  系統保護的內存地址寫數據
   最常見就是給一個指針以0地址
2)內存越界(數組越界，變量類型不一致等) 訪問到不屬于你的內存區域

解決方法

我們在用C/C++語言寫程序的時侯，內存管理的絕大部分工作都是需要我們來做的。實際上，內存管理是一個比較繁瑣的工作，無論你多高明，經驗多豐富，難 免會在此處犯些小錯誤，而通常這些錯誤又是那么的淺顯而易于消除。但是手工“除蟲”（debug），往往是效率低下且讓人厭煩的，本文將就"段錯誤"這個 內存訪問越界的錯誤談談如何快速定位這些"段錯誤"的語句。
下面將就以下的一個存在段錯誤的程序介紹幾種調試方法：

1  dummy_function (void)      2  {      3          unsigned char *ptr = 0x00;      4          *ptr = 0x00;      5  }      6      7  int main (void)      8  {      9          dummy_function ();     10     11          return 0;     12  }

作為一個熟練的C/C++程序員，以上代碼的bug應該是很清楚的，因為它嘗試操作地址為0的內存區域，而這個內存區域通常是不可訪問的禁區，當然就會出錯了。我們嘗試編譯運行它:

xiaosuo@gentux test $ ./a.out 段錯誤

果然不出所料，它出錯并退出了。
1.利用gdb逐步查找段錯誤:
這種方法也是被大眾所熟知并廣泛采用的方法，首先我們需要一個帶有調試信息的可執行程序，所以我們加上“-g -rdynamic"的參數進行編譯，然后用gdb調試運行這個新編譯的程序,具體步驟如下:

xiaosuo@gentux test $ gcc -g -rdynamic d.c xiaosuo@gentux test $ gdb ./a.out GNU gdb 6.5 Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc. GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions. Type "show copying" to see the conditions. There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details. This GDB was configured as "i686-pc-linux-gnu"...Using host libthread_db library "/lib/libthread_db.so.1". (gdb) r Starting program: /home/xiaosuo/test/a.out Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault. 0x08048524 in dummy_function () at d.c:4 4               *ptr = 0x00; (gdb)

哦？！好像不用一步步調試我們就找到了出錯位置d.c文件的第4行，其實就是如此的簡單。
從這里我們還發現進程是由于收到了SIGSEGV信號而結束的。通過進一步的查閱文檔(man 7 signal)，我們知道SIGSEGV默認handler的動作是打印”段錯誤"的出錯信息，并產生Core文件，由此我們又產生了方法二。
2.分析Core文件：
Core文件是什么呢？

The  default action of certain signals is to cause a process to terminate and produce a core dump file, a disk file containing an image of the process's memory  at the time of termination.  A list of the signals which cause a process to dump core can be found in signal(7).

以 上資料摘自man page(man 5 core)。不過奇怪了，我的系統上并沒有找到core文件。后來，憶起為了漸少系統上的拉圾文件的數量（本人有些潔癖，這也是我喜歡Gentoo的原因 之一），禁止了core文件的生成，查看了以下果真如此，將系統的core文件的大小限制在512K大小，再試:

xiaosuo@gentux test $ ulimit -c 0 xiaosuo@gentux test $ ulimit -c 1000 xiaosuo@gentux test $ ulimit -c 1000 xiaosuo@gentux test $ ./a.out 段錯誤 (core dumped) xiaosuo@gentux test $ ls a.out  core  d.c  f.c  g.c  pango.c  test_iconv.c  test_regex.c

core文件終于產生了，用gdb調試一下看看吧:

xiaosuo@gentux test $ gdb ./a.out core GNU gdb 6.5 Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc. GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions. Type "show copying" to see the conditions. There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details. This GDB was configured as "i686-pc-linux-gnu"...Using host libthread_db library "/lib/libthread_db.so.1". warning: Can't read pathname for load map: 輸入/輸出錯誤. Reading symbols from /lib/libc.so.6...done. Loaded symbols for /lib/libc.so.6 Reading symbols from /lib/ld-linux.so.2...done. Loaded symbols for /lib/ld-linux.so.2 Core was generated by `./a.out'. Program terminated with signal 11, Segmentation fault. #0  0x08048524 in dummy_function () at d.c:4 4               *ptr = 0x00;

哇，好歷害，還是一步就定位到了錯誤所在地，佩服一下Linux/Unix系統的此類設計。
接著考慮下去，以前用windows系統下的ie的時侯，有時打開某些網頁，會出現“運行時錯誤”，這個時侯如果恰好你的機器上又裝有windows的編譯器的話，他會彈出來一個對話框，問你是否進行調試，如果你選擇是，編譯器將被打開，并進入調試狀態，開始調試。
Linux下如何做到這些呢？我的大腦飛速地旋轉著，有了，讓它在SIGSEGV的handler中調用gdb，于是第三個方法又誕生了:
3.段錯誤時啟動調試:

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <signal.h> #include <string.h> void dump(int signo) {         char buf[1024];         char cmd[1024];         FILE *fh;         snprintf(buf, sizeof(buf), "/proc/%d/cmdline", getpid());         if(!(fh = fopen(buf, "r")))                 exit(0);         if(!fgets(buf, sizeof(buf), fh))                 exit(0);         fclose(fh);         if(buf[strlen(buf) - 1] == '\n')                 buf[strlen(buf) - 1] = '\0';         snprintf(cmd, sizeof(cmd), "gdb %s %d", buf, getpid());         system(cmd);         exit(0); }         void dummy_function (void) {         unsigned char *ptr = 0x00;         *ptr = 0x00; }         int main (void) {         signal(SIGSEGV, &dump);         dummy_function ();         return 0; }

編譯運行效果如下:

xiaosuo@gentux test $ gcc -g -rdynamic f.c xiaosuo@gentux test $ ./a.out GNU gdb 6.5 Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc. GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions. Type "show copying" to see the conditions. There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details. This GDB was configured as "i686-pc-linux-gnu"...Using host libthread_db library "/lib/libthread_db.so.1". Attaching to program: /home/xiaosuo/test/a.out, process 9563 Reading symbols from /lib/libc.so.6...done. Loaded symbols for /lib/libc.so.6 Reading symbols from /lib/ld-linux.so.2...done. Loaded symbols for /lib/ld-linux.so.2 0xffffe410 in __kernel_vsyscall () (gdb) bt #0  0xffffe410 in __kernel_vsyscall () #1  0xb7ee4b53 in waitpid () from /lib/libc.so.6 #2  0xb7e925c9 in strtold_l () from /lib/libc.so.6 #3  0x08048830 in dump (signo=11) at f.c:22 #4  <signal handler called> #5  0x0804884c in dummy_function () at f.c:31 #6  0x08048886 in main () at f.c:38

怎么樣？是不是依舊很酷？
以上方法都是在系統上有gdb的前提下進行的，如果沒有呢？其實glibc為我們提供了此類能夠dump棧內容的函數簇，詳見/usr/include/execinfo.h（這些函數都沒有提供man page，難怪我們找不到），另外你也可以通過gnu的手冊進行學習。
4.利用backtrace和objdump進行分析:
重寫的代碼如下:

#include <execinfo.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <signal.h> /* A dummy function to make the backtrace more interesting. */         void dummy_function (void) {         unsigned char *ptr = 0x00;         *ptr = 0x00; } void dump(int signo) {         void *array[10];         size_t size;         char **strings;         size_t i;         size = backtrace (array, 10);         strings = backtrace_symbols (array, size);         printf ("Obtained %zd stack frames.\n", size);         for (i = 0; i < size; i++)                 printf ("%s\n", strings[i]);         free (strings);         exit(0); }         int main (void) {         signal(SIGSEGV, &dump);         dummy_function ();         return 0; }

編譯運行結果如下：

xiaosuo@gentux test $ gcc -g -rdynamic g.c xiaosuo@gentux test $ ./a.out Obtained 5 stack frames. ./a.out(dump+0x19) [0x80486c2] [0xffffe420] ./a.out(main+0x35) [0x804876f] /lib/libc.so.6(__libc_start_main+0xe6) [0xb7e02866] ./a.out [0x8048601]

這次你可能有些失望,似乎沒能給出足夠的信息來標示錯誤,不急,先看看能分析出來什么吧,用objdump反匯編程序,找到地址0x804876f對應的代碼位置:

xiaosuo@gentux test $ objdump -d a.out

8048765:       e8 02 fe ff ff          call   804856c <signal@plt>  804876a:       e8 25 ff ff ff          call   8048694 <dummy_function>  804876f:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax  8048774:       c9                      leave

我們還是找到了在哪個函數(dummy_function)中出錯的,信息已然不是很完整,不過有總比沒有好的啊!
后記:
本文給出了分析"段錯誤"的幾種方法,不要認為這是與孔乙己先生的"回"字四種寫法一樣的哦,因為每種方法都有其自身的適用范圍和適用環境,請酌情使用,或遵醫囑。

部分資料來源于xiaosuo @ cnblog.cn, 特此致謝

作者:upsdn整理   更新日期:2006-11-03
來源:upsdn.net   瀏覽次數:



其它調試辦法

• 添加日志 

            在Linux上的使用開源C++日志庫---log4cplus 

linux下追蹤函數調用堆棧

一般察看函數運行時堆棧的方法是使用GDB之類的外部調試器,但是,有些時候為了分析程序的BUG,(主要針對長時間運行程序的分析),在程序出錯時打印出函數的調用堆棧是非常有用的。

 在頭文件"execinfo.h"中聲明了三個函數用于獲取當前線程的函數調用堆棧

 Function: int backtrace(void **buffer,int size)

 該函數用與獲取當前線程的調用堆棧,獲取的信息將會被存放在buffer中,它是一個指針列表。參數 size 用來指定buffer中可以保存多少個void* 元素。函數返回值是實際獲取的指針個數,最大不超過size大小

 在buffer中的指針實際是從堆棧中獲取的返回地址,每一個堆棧框架有一個返回地址

 注意某些編譯器的優化選項對獲取正確的調用堆棧有干擾,另外內聯函數沒有堆棧框架;刪除框架指針也會使無法正確解析堆棧內容

 Function: char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size)

 backtrace_symbols將從backtrace函數獲取的信息轉化為一個字符串數組. 參數buffer應該是從backtrace函數獲取的數組指針,size是該數組中的元素個數(backtrace的返回值)

 函數返回值是一個指向字符串數組的指針,它的大小同buffer相同.每個字符串包含了一個相對于buffer中對應元素的可打印信息.它包括函數名，函數的偏移地址,和實際的返回地址

 現在,只有使用ELF二進制格式的程序和苦衷才能獲取函數名稱和偏移地址.在其他系統,只有16進制的返回地址能被獲取.另外,你可能需要傳遞相應的標志給鏈接器,以能支持函數名功能(比如,在使用GNU ld的系統中,你需要傳遞(-rdynamic))

 該函數的返回值是通過malloc函數申請的空間,因此調用這必須使用free函數來釋放指針.

 注意:如果不能為字符串獲取足夠的空間函數的返回值將會為NULL

 Function:void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd)

 backtrace_symbols_fd與backtrace_symbols 函數具有相同的功能,不同的是它不會給調用者返回字符串數組,而是將結果寫入文件描述符為fd的文件中,每個函數對應一行.它不需要調用malloc函數,因此適用于有可能調用該函數會失敗的情況。

編譯運行的結果如下：
# gcc bt.c -rdynamic -o bt
# ./bt
Obtained 5 stack frames.
./bt(_Z11print_tracev+0x19) [0x804870d]
./bt(_Z14dummy_functionv+0xb) [0x8048779]
./bt(main+0x16) [0x8048792]
/lib/libc.so.6(__libc_start_main+0xdc) [0x116e9c]
./bt(__gxx_personality_v0+0x31) [0x8048641]


注： addr2line - convert addresses into file names and line numbers.