Linux程序崩溃分析

Posted 2021-11-08 Chicken_Bird

引言

我们在做Linux开发时，常常会遇到程序崩溃的问题，这时会用gdb或者通过查看反汇编的方式去对程序进行分析，接下来，我们从底层的角度，去讲述如何分析程序崩溃的原因。

一、常见BUG

在进行分析前，先看看我总结归纳的常见BUG：

1.内存错误：

内存错误往往出现在使用了未分配的内存，或者没有及时释放分配的内存。

2.指针错误：

指针错误往往出现在使用了空指针，或者是指向的地址在函数返回后丢失，或者是偏移量出了问题，这个话题暂时不展开讨论。

3.判断条件出错：

比如 if (a == 1) 写成了 if (a=1)，if (a && b) 写成了 if (a & b)。

4.参数未初始化

比较典型的就是申请结构体变量没对其进行memset，加之接口内部没做参数判断，从而传参导致接口异常。

5.未考虑字节序

在跨平台通信时要考虑字节序的问题，arm一般是小端字节序( little - endian )，x86一般是大端字节序( big - endian)。arm和x86进行通信时，要考虑到字节序问题。

6.线程同步错误

往往体现在共享数据上锁不当，导致线程死锁。

7.字节对齐错误

需要了解编译器对于字节对齐的默认属性，一般是4字节对齐，体现在结构体的设计方面。如果字节对齐做的不好，软件版本更新迭代会带来极大的隐患，通常做法是加上reserve字段。

8.配对操作没调用完全

比如open没有及时close，init没有及时release，从而导致资源的浪费。

二、从汇编角度分析C程序

我们在嵌入式开发中，使用arm架构居多，所以这里讨论的是arm架构的分析方案，如果用x86也可以用类似的思想。我们日常开发中遇到的程序崩溃，比较难查的问题往往是出现在内存访问部分，下面我们通过底层的汇编程序来讲述一段C语言程序，对于内存，硬件，是怎样一个执行流程。

1.arm汇编相关理论基础

下面我列举一些arm汇编的寄存器，并对其进行描述

常用的arm用户态寄存器如上表所示，有r0~r15这16个寄存器
r0~r3：通常在函数传参时使用（从左到右的顺序，大于4个参数时使用栈来传递）和返回值（r0通常被用作返回值）。在函数内部 r0-r3 也可以用来存储局部变量。
r4~r8,r10,r11：通常用来保存局部变量。r11通常用来作为（FP）栈基地址（下面会对这些概念进行讲述）
r12：可能在函数调用时被链接器使用，在函数内部，也可以存储局部变量。
r13：是SP寄存器，就是当前函数的栈顶指针。
r14：是LR寄存器，存放当前函数的返回地址。
r15：是PC寄存器，存放当前指令的地址。

上面讲述的FP，SP，LR，PC寄存器，它寄存器里面的内容是地址，这点不要混淆。

2.内存中的栈帧结构

刚刚我们提到了FP，SP，LR，PC寄存器，现在我们来展开聊聊这几个寄存器。

PC指针：刚刚提到PC指针里面存放着当前指令的地址，因为在我们arm架构，传统上是五级流水线，简单描述就是取址，然后取完代码是二进制，对它进行译码，翻译成各个动作，然后cpu参与计算，最后返回。PC指针就存放着当前指令的地址，扮演的角色就是告诉cpu需要访问的地址，也对应五级流水线中的取址操作。

SP指针：在函数申请变量的时候，会有一个动态压栈的过程，栈的大小会随着变量申请而逐渐增长，SP指针就指向你动态压栈所处在的地址。

FP指针：当前函数的起始地址。在函数调用时，进入另一个函数接口，也会进入另一个栈帧结构，里面会保存调用者的的起始地址（FP），用于出现问题时回溯，同时也有当前函数的起始地址（FP）。

LR指针：函数调用时，调用者的下一条指令地址。用于函数调用完返回时，可以进入下一条指令。

我们不妨先看看内存中的栈帧结构。

这就是内存中的栈帧结构，上图就是main函数在调用func1时的栈帧结构。绿色的是处在func1函数里面的，灰色的是在main函数里面的。
通过这张图，我们可以看出，在发生函数调用时，FP寄存器会指向当前函数调用的起始地址。在func1内部（绿色部分）还有一个FP，这个FP不是FP寄存器，而是内存中的数据，也表示地址。它指向调用者（main）的起始地址。它主要是在程序崩溃时，用来回溯上一级的PC LR SP FP的值，所以在调用时会保存上一个栈帧的数据，用来崩溃的时候一层一层回溯回去。

3.举例说明

在举例说明例子之前，先讲一下几个常用的汇编指令

mov:给某个寄存器赋值
/* 给r3寄存器赋值为8 */
mov r3, #8

add:加法运算
/* r3 = r3 + 4 此处r3代表r3寄存器中的数据 */
add r3, r3, #4

sub:减法运算
/* r3 = r3 - 4 此处r3代表r3寄存器中的数据 */
sub r3, r3, #4

str:把寄存器的值写入内存
/* r3和fp是arm的寄存器,刚刚有所提及			    		      * 
 * 右边中括号里面的代表地址,代表fp指针指向的地址向下偏移8个字节    *   
 * 这条的指令意思就是把r3寄存器的数据写入右边的地址.             */ 
str r3, [fp, #-8]  

ldr:从内存中取数据到寄存器
/* r0和pc是arm的寄存器 刚刚有所提及					          *
 * 右边中括号里面的代表地址,代表pc指针指向的地址向上偏移20个字节   *
 * 这条的指令意思就是从右边的地址指向的内存中取数据到r0寄存器.     */
ldr r0, [pc, #20]

bl:跳转到指定地址
/* 跳转到83ec地址,它是函数func_1的起始地址 */
bl     83ec <func_1>

下面我来写一段很简单的代码

#include <stdio.h>

int func(int num1, int num2, int num3)
{
     int n = 0;
     n = num1 + num2;
     n = n + num3;
     return n;
}

int main()
{
     int a = 0;
     int b = 1;
     a = func(1, 2, b);
     printf("value = %d\\n", a);
     return 0;
}

翻译成反汇编（这里采用海思的交叉编译工具编译，然后通过objdump生成反汇编）

arm-himix200-linux-gcc test.c -o test
arm-himix200-linux-objdump -d test > debug.txt

反汇编中的C语言部分

00010410 <func>:
   /* 将调用者main的fp指针压入栈中,保存用于回溯 */
   10410:       e52db004        push    {fp}            ; (str fp, [sp, #-4]!)
   /* fp的地址此处不做偏移,因为只压入一个数据 */
   10414:       e28db000        add     fp, sp, #0
   /* 将sp寄存器向低地址减28字节,其实这里是个开辟栈内存的动作 */
   10418:       e24dd01c        sub     sp, sp, #28
   /* 将刚刚函数传参的r0寄存器的数据写入fp指针再向低地址偏移16字节的地址 */
   1041c:       e50b0010        str     r0, [fp, #-16]
   /* 将刚刚函数传参的r1寄存器的数据写入fp指针再向低地址偏移20字节的地址 */
   10420:       e50b1014        str     r1, [fp, #-20]  ; 0xffffffec
   /* 将刚刚函数传参的r2寄存器的数据写入fp指针再向低地址偏移24字节的地址 */
   10424:       e50b2018        str     r2, [fp, #-24]  ; 0xffffffe8
   /* 对应函数调用里面的int n = 0,将0直接赋值给r3寄存器 */
   10428:       e3a03000        mov     r3, #0
   /* 将r3寄存器的值写入fp指针再向低地址偏移8字节的地址 */
   1042c:       e50b3008        str     r3, [fp, #-8]
   /* 将fp指针再向低地址偏移16字节的地址的数据拿出来,读取到r2寄存器里,准备做加法运算 */
   10430:       e51b2010        ldr     r2, [fp, #-16]
   /* 将fp指针再向低地址偏移20字节的地址的数据拿出来,读取到r2寄存器里,准备做加法运算 */
   10434:       e51b3014        ldr     r3, [fp, #-20]  ; 0xffffffec
   /* 将刚刚拿出来的两个数据做加法运算,对应函数调用里面的n = num1 + num2; */
   10438:       e0823003        add     r3, r2, r3
   /* 将刚刚算到的结果存回栈中 */
   1043c:       e50b3008        str     r3, [fp, #-8]
   /* 再从栈中把刚刚的数据读出来 */
   10440:       e51b2008        ldr     r2, [fp, #-8]
   /* 将fp指针再向低地址偏移24字节的地址的数据拿出来,读取到r2寄存器里,准备做第二个加法运算 */
   10444:       e51b3018        ldr     r3, [fp, #-24]  ; 0xffffffe8
   /* 将刚刚拿出来的两个数据做加法运算,对应函数调用里面的n = n + num3; */
   10448:       e0823003        add     r3, r2, r3
   /* 将刚刚的计算的结果再写入栈内存中 */
   1044c:       e50b3008        str     r3, [fp, #-8]
   /* 从栈内存中取出数据放入r3寄存器 */
   10450:       e51b3008        ldr     r3, [fp, #-8]
   /* 将r3寄存器的数据转给r0寄存器,r0寄存器一般用来做返回值用 */
   10454:       e1a00003        mov     r0, r3
   /* 将sp指针归位,释放栈空间 */
   10458:       e28bd000        add     sp, fp, #0
   /* 将fp寄存器出栈 */
   1045c:       e49db004        pop     {fp}            ; (ldr fp, [sp], #4)
   /* 跳转到lr寄存器所指向的地址,也就是函数调用的下一行 */
   10460:       e12fff1e        bx      lr

00010464 <main>: 
   /* 运行到这里,栈帧已经生成,第一步push将fp, lr指针压入栈中 */
   10464:       e92d4800        push    {fp, lr}
   /* 因为刚刚那步同时push了两个值,fp和lr两个数据存放的地址要区分开来,           *
    * sp代表当前动态压栈所处在的地址,所以将fp寄存器的地址向高地址偏移4个单位       */
   10468:       e28db004        add     fp, sp, #4
   /* 将sp寄存器的地址向高地址偏移8个单位,存放在fp,lr的后面 */
   1046c:       e24dd008        sub     sp, sp, #8
   /* 对应刚刚的int a = 0,这里把0赋值给r3寄存器 */
   10470:       e3a03000        mov     r3, #0
   /* 将r3寄存器的值写入内存，地址在fp指针指向的地址往低地址偏移8个单位（栈的生长方向是高地址到低地址） */
   10474:       e50b3008        str     r3, [fp, #-8]
   /* 对应刚刚的int b = 1,这里把1赋值给r3寄存器 */
   10478:       e3a03001        mov     r3, #1
   /* 将r3寄存器的值写入内存,地址在fp指针指向的地址往低地址偏移12个单位（栈的生长方向是高地址到低地址） */
   1047c:       e50b300c        str     r3, [fp, #-12]
   /* 在刚刚变量b写入的地址中取出b的值,写入r2寄存器,这里r2将作为函数参数用 */
   10480:       e51b200c        ldr     r2, [fp, #-12]
   /* 将2赋值给r1,这里r1将作为函数参数用 */
   10484:       e3a01002        mov     r1, #2
   /* 将1赋值给r1,这里r1将作为函数参数用 */
   10488:       e3a00001        mov     r0, #1
   /* 参数准备完毕,跳转到func函数,进行函数调用 */
   1048c:       ebffffdf        bl      10410 <func>
   /* 这边就是lr寄存器指向的地址,函数调用完,回到了这里.
      这里将函数的返回值存入fp指向的地址向低地址偏移8个字节的位置 */
   10490:       e50b0008        str     r0, [fp, #-8]
   /* 从刚刚存入的数据从内存中取出来,放入r1寄存器,准备调用printf函数 */
   10494:       e51b1008        ldr     r1, [fp, #-8]
   /* 将字符串读入r0寄存器,准备函数调用 */
   10498:       e59f0010        ldr     r0, [pc, #16]   ; 104b0 <main+0x4c>
   /* 进入printf */
   1049c:       ebffff85        bl      102b8 <printf@plt>
   /* 将r0 r3寄存器清0 */
   104a0:       e3a03000        mov     r3, #0
   /* 将r0 r3寄存器清0 */
   104a4:       e1a00003        mov     r0, r3
   /* 释放栈大小 */
   104a8:       e24bd004        sub     sp, fp, #4
   /* 将fp pc寄存器出栈 */
   104ac:       e8bd8800        pop     {fp, pc}
   104b0:       00010524        .word   0x00010524

已经写好了注释，可以通过注释从main函数开始一步一步看。