C语言的那些小秘密之【函数的调用关系】

FROM: http://blog.csdn.net/bigloomy/article/details/6592167

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    显示函数的调用关系是调试器的必备功能，如果我们在程序的运行中出现了崩溃的情况，通过函数的调用关系可以快速定位问题的根源，懂得函数调用关系的实现原理也可以扩充自己的知识面，在没有调试器的情况下，我们也可以自己来实现显示函数的调用关系。在我们自己动手写backtrace函数之前，先来看看glibc提供的backtrace函数的使用。代码如下：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h>
#include <execinfo.h>
#define MAX_LEVEL 4
static void call2()
{
 int i = 0;
 void* buffer[MAX_LEVEL] = {0};
 int size=backtrace(buffer, MAX_LEVEL);
 for(i = 0; i < size; i++)
 {
  printf("called by %p\n", buffer[i]);
 }
 return;
}
static void call1()
{
 call2();
 return;
}
static void call()
{
 call1();
 return;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
 call();
 return 0;
}

在此先讲解下backtrace()函数的使用：

int backtrace(void **buffer,int size)
该函数用来获取当前线程的调用堆栈,获取的信息将会被存放在buffer中,它是一个指针列表。参数 size 用来指定buffer中可以保存多少个void* 元素。函数返回值是实际获取的指针个数,最大不超过size大小，在buffer中的指针实际是从堆栈中获取的返回地址,每一个堆栈框架有一个返回地址。

接下来的任务就是编译运行了。

root@ubuntu:/home/shiyan# gcc -g -Wall sss.c -o p
root@ubuntu:/home/shiyan# ./p

输出结果为：
called by 0x8048440
called by 0x804847d
called by 0x804848a
called by 0x8048497
上面的运行结果就是调用者的地址，看起来还不是那么的直观，我们使用addr2line工具来实现地址到源代码位置的转换。

运行

root@ubuntu:/home/shiyan# ./p |awk '{print "addr2line "$3" -e p"}'>t.sh;. t.sh;rm -f t.sh
输出结果为：

/home/shiyan/sss.c:12
/home/shiyan/sss.c:27
/home/shiyan/sss.c:34
/home/shiyan/sss.c:40
接下来看看在栈中数据的结构。

函数参数的压栈是从右向左的，即先压最后一个参数，在压倒数第二个，以此类推，最后才压入第一个参数。为了加深大家的印象，下面我给出一个测试代码：

#include <stdio.h>

void turn(int x, int y, int z)
{
   printf("x = %d at [%X]\n", x, &x);
   printf("y = %d at [%X]\n", y, &y);
   printf("z = %d at [%X]\n", z, &z);
}

int main(int argc, char *argv[])

{
   turn(1, 2, 3);
   return 0;
}

运行结果为：

比较打印出来的地址可以看出参数z的地址是最大的，x的地址最小。

参数的压栈工作完成之后，接下来就依次是EIP、EBP、临时变量的压栈操作了。最后压入的是被调用函数本身，并为它分配临时的变量空间，而对于不同版本的gcc的处理方式各有不同，老版本的gcc第一个临时变量放在最高的地址，第二个其次，依次顺序分布，新版本的gcc则与之相反。

实现backtrace()函数的调用关系，其步骤如下：

1.获取当前函数的EBP；

2.通过EBP获得调用者得EIP；

3.通过EBP获得上一级的EBP；

4.重复这个过程，知道结束。

自己实现的backtrace()函数，代码如下：

#include <stdio.h>
#define MAX_LEVEL 4
#define OFFSET 4
int backtrace(void** buffer, int size)
{
 int  n = 0x23f;
 int* p = &n;
 int  i = 0;
 int ebp = p[1 + OFFSET];
 int eip = p[2 + OFFSET];
 for(i = 0; i < size; i++)
 {
  buffer[i] = (void*)eip;
  p = (int*)ebp;
  ebp = p[0];
  eip = p[1];
 }
 return size;
}
static void call2()
{
 int i = 0;
 void* buffer[MAX_LEVEL] = {0};
 int size=backtrace(buffer, MAX_LEVEL);
 for(i = 0; i < size; i++)
 {
  printf("called by %p\n", buffer[i]);
 }
 return;
}
static void call1()
{
 call2();
 return;
}
static void call()
{
 call1();
 return;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
 call();
 return 0;
}

运行结果如下：

root@ubuntu:/home/shiyan# gcc -g bac.c -o tt
root@ubuntu:/home/shiyan# ./tt
called by 0x8048491
called by 0x80484ce
called by 0x80484db
called by 0x80484e8

转换为源代码位置：root@ubuntu:/home/shiyan# ./tt |awk '{print "addr2line "$3" -e tt"}'>t.sh;. t.sh;rm -f t.sh

root@ubuntu:/home/shiyan# ./tt |awk '{print "addr2line "$3" -e tt"}'>t.sh;. t.sh;rm -f t.sh
/home/shiyan/bac.c:32
/home/shiyan/bac.c:47
/home/shiyan/bac.c:54
/home/shiyan/bac.c:60
在此重点介绍下backtrace()函数的实现原理。

通过 int* p = &n;来获取第一个临时变量的位置，因为我使用的是新版本的gcc，有5个临时变量，所以EIP的值存放在p[6]中，EBP的的值存放在p[5]，通过  buffer[i] = (void*)eip;可以把eip的强制转换为可以指向任意类型的指针， 接下来通过 p = (int*)ebp;来获得上一个函数的ebp，获得ebp之后由ebp和eip的位置关系可以得到eip，由于ebp指向的单元存储的是上一个函数的ebp，所以用一个简单的for循环就能实现了。

另外在头文件"execinfo.h"中除了声明backtrace()函数外，还有如下两个函数也用于获取当前线程的函数调用堆栈。

char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size)
backtrace_symbols将从backtrace函数获取的信息转化为一个字符串数组. 参数buffer应该是从backtrace函数获取的数组指针,size是该数组中的元素个数(backtrace的返回值)   
函数返回值是一个指向字符串数组的指针,它的大小同buffer相同.每个字符串包含了一个相对于buffer中对应元素的可打印信息.它包括函数名，函数的偏移地址,和实际的返回地址
现在,只有使用ELF二进制格式的程序和苦衷才能获取函数名称和偏移地址.在其他系统,只有16进制的返回地址能被获取.另外,你可能需要传递相应的标志给链接器,以能支持函数名功能(比如,在使用GNU ld的系统中,你需要传递(-rdynamic))，该函数的返回值是通过malloc函数申请的空间,因此调用这必须使用free函数来释放指针。
注意:如果不能为字符串获取足够的空间函数的返回值将会为NULL。
Function:void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd)
backtrace_symbols_fd与backtrace_symbols 函数具有相同的功能,不同的是它不会给调用者返回字符串数组,而是将结果写入文件描述符为fd的文件中,每个函数对应一行.它不需要调用malloc函数,因此适用于有可能调用该函数会失败的情况。
还是那句话，以上内容难免有误，如有错误，请纠正。

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