Linux下的段错误产生的缘由及调试方法

时间 2019-11-08

原文原文链接

简而言之,产生段错误就是访问了错误的内存段，通常是你没有权限，或者根本就不存在对应的物理内存,尤为常见的是访问0地址.

通常来讲, 段错误就是指访问的内存超出了系统所给这个程序的内存空间，一般这个值是由gdtr来保存的，他是一个48位的寄存器，其中的32位是保存由它指向的 gdt表，后13位保存相应于gdt的下标，最后3位包括了程序是否在内存中以及程序的在cpu中的运行级别,指向的gdt是由以64位为一个单位的表，在这张表中就保存着程序运行的代码段以及数据段的起始地址以及与此相应的段限和页面交换还有程序运行级别还有内存粒度等等的信息。一旦一个程序发生了越界访问，cpu就会产生相应的异常保护，因而segmentation fault就出现了.

在编程中如下几类作法容易致使段错误,基本是是错误地使用指针引发的

1) 访问系统数据区，尤为是往系统保护的内存地址写数据
最多见就是给一个指针以0地址
2) 内存越界(数组越界，变量类型不一致等) 访问到不属于你的内存区域

解决方法

咱们在用C/C++语言写程序的时侯，内存管理的绝大部分工做都是须要咱们来作的。实际上，内存管理是一个比较繁琐的工做，不管你多高明，经验多丰富，难免会在此处犯些小错误，而一般这些错误又是那么的浅显而易于消除。可是手工“除虫”（debug），每每是效率低下且让人厌烦的，本文将就"段错误"这个内存访问越界的错误谈谈如何快速定位这些"段错误"的语句。
下面将就如下的一个存在段错误的程序介绍几种调试方法：html

     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 }

做为一个熟练的C/C++程序员，以上代码的bug应该是很清楚的，由于它尝试操做地址为0的内存区域，而这个内存区域一般是不可访问的禁区，固然就会出错了。咱们尝试编译运行它:node

xiaosuo@gentux test $ ./a.out
段错误

果真不出所料，它出错并退出了。
1.利用gdb逐步查找段错误:
这种方法也是被大众所熟知并普遍采用的方法，首先咱们须要一个带有调试信息的可执行程序，因此咱们加上“-g -rdynamic"的参数进行编译，而后用gdb调试运行这个新编译的程序,具体步骤以下:linux

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？！好像不用一步步调试咱们就找到了出错位置d.c文件的第4行，其实就是如此的简单。
从这里咱们还发现进程是因为收到了SIGSEGV信号而结束的。经过进一步的查阅文档(man 7 signal)，咱们知道SIGSEGV默认handler的动做是打印”段错误"的出错信息，并产生Core文件，由此咱们又产生了方法二。
2.分析Core文件：
Core文件是什么呢？程序员

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).

以上资料摘自man page(man 5 core)。不过奇怪了，个人系统上并无找到core文件。后来，忆起为了渐少系统上的拉圾文件的数量（本人有些洁癖，这也是我喜欢Gentoo的缘由之一），禁止了core文件的生成，查看了如下果然如此，将系统的core文件的大小限制在512K大小，再试:编程

xiaosuo@gentux test $ ulimit -c
0 (当前值)
xiaosuo@gentux test $ ulimit -c 1000
xiaosuo@gentux test $ ulimit -c
1000 (修改后)
xiaosuo@gentux test $ ./a.out
段错误 (core dumped)
xiaosuo@gentux test $ ls
a.out core d.c f.c g.c pango.c test_iconv.c test_regex.c

core 文件终于产生了，用gdb调试一下看看吧:windows

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: 输入/输出错误.
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，好历害，仍是一步就定位到了错误所在地，佩服一下 Linux/Unix系统的此类设计。
接着考虑下去，之前用windows系统下的ie的时侯，有时打开某些网页，会出现“运行时错误”，这个时侯若是刚好你的机器上又装有windows的编译器的话，他会弹出来一个对话框，问你是否进行调试，若是你选择是，编译器将被打开，并进入调试状态，开始调试。数组

Linux下如何作到这些呢？个人大脑飞速地旋转着，有了，让它在SIGSEGV的handler中调用gdb，因而第三个方法又诞生了函数

3.段错误时启动调试:学习

#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;
}

编译运行效果以下:spa

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

怎么样？是否是依旧很酷？
以上方法都是在系统上有gdb的前提下进行的，若是没有呢？其实glibc为咱们提供了此类可以dump栈内容的函数簇，详见/usr /include/execinfo.h（这些函数都没有提供man page，难怪咱们找不到），另外你也能够经过gnu的手册进行学习。
4.利用backtrace和objdump进行分析:
重写的代码以下:

#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;
}

编译运行结果以下：

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]

此次你可能有些失望,彷佛没能给出足够的信息来标示错误,不急, 先看看能分析出来什么吧,用objdump反汇编程序,找到地址0x804876f对应的代码位置:

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

咱们仍是找到了在哪一个函数 (dummy_function)中出错的,信息已然不是很完整,不过有总比没有好的啊!
后记:本文给出了分析"段错误"的几种方法,不要认为这是与孔乙己先生的"回"字四种写法同样的哦,由于每种方法都有其自身的适用范围和适用环境,请酌情使用,或遵医嘱。