Linux环境下段错误的产生缘由及调试方法小结

最近在Linux环境下作C语言项目，因为是在一个原有项目基础之上进行二次开发，并且项目工程庞大复杂，出现了很多问题，其中遇到最多、花费时间最长的问题就是著名的“段错误”（Segmentation Fault）。借此机会系统学习了一下，这里对Linux环境下的段错误作个小结，方便之后同类问题的排查与解决。

1. 段错误是什么

一句话来讲，段错误是指访问的内存超出了系统给这个程序所设定的内存空间，例如访问了不存在的内存地址、访问了系统保护的内存地址、访问了只读的内存地址等等状况。这里贴一个对于“段错误”的准肯定义（参考Answers.com）：

A segmentation fault (often shortened to segfault) is a particular error condition that can occur during the operation of computer software. In short, a segmentation fault occurs when a program attempts to access a memory location that it is not allowed to access, or attempts to access a memory location in a way that is not allowed (e.g., attempts to write to a read-only location, or to overwrite part of the operating system). Systems based on processors like the Motorola 68000 tend to refer to these events as Address or Bus errors.
Segmentation is one approach to memory management and protection in the operating system. It has been superseded by paging for most purposes, but much of the terminology of segmentation is still used, "segmentation fault" being an example. Some operating systems still have segmentation at some logical level although paging is used as the main memory management policy.
On Unix-like operating systems, a process that accesses invalid memory receives the SIGSEGV signal. On Microsoft Windows, a process that accesses invalid memory receives the STATUS_ACCESS_VIOLATION exception.

2. 段错误产生的缘由

2.1 访问不存在的内存地址

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>void main(){int *ptr = NULL; *ptr = 0;}

2.2 访问系统保护的内存地址

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>void main(){int *ptr = (int *)0; *ptr = 100;}

2.3 访问只读的内存地址

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>void main(){char *ptr = "test"; strcpy(ptr, "TEST");}

2.4 栈溢出

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>void main(){ main();}

等等其余缘由。

3. 段错误信息的获取

程序发生段错误时，提示信息不多，下面有几种查看段错误的发生信息的途径。

3.1 dmesg

dmesg能够在应用程序crash掉时，显示内核中保存的相关信息。以下所示，经过dmesg命令能够查看发生段错误的程序名称、引发段错误发生的内存地址、指令指针地址、堆栈指针地址、错误代码、错误缘由等。以程序2.3为例：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ dmesg[ 2329.479037] segfault3[2700]: segfault at 80484e0 ip 00d2906a sp bfbbec3c error 7 in libc-2.10.1.so[cb4000+13e000]

3.2 -g

使用gcc编译程序的源码时，加上-g参数，这样可使得生成的二进制文件中加入能够用于gdb调试的有用信息。以程序2.3为例：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ gcc -g -o segfault3 segfault3.c

3.3 nm

使用nm命令列出二进制文件中的符号表，包括符号地址、符号类型、符号名等，这样能够帮助定位在哪里发生了段错误。以程序2.3为例：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ nm segfault308049f20 d _DYNAMIC08049ff4 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_080484dc R _IO_stdin_used w _Jv_RegisterClasses08049f10 d __CTOR_END__08049f0c d __CTOR_LIST__08049f18 D __DTOR_END__08049f14 d __DTOR_LIST__080484ec r __FRAME_END__08049f1c d __JCR_END__08049f1c d __JCR_LIST__0804a014 A __bss_start0804a00c D __data_start08048490 t __do_global_ctors_aux08048360 t __do_global_dtors_aux0804a010 D __dso_handle w __gmon_start__0804848a T __i686.get_pc_thunk.bx08049f0c d __init_array_end08049f0c d __init_array_start08048420 T __libc_csu_fini08048430 T __libc_csu_init U __libc_start_main@@GLIBC_2.00804a014 A _edata0804a01c A _end080484bc T _fini080484d8 R _fp_hw080482bc T _init08048330 T _start0804a014 b completed.69900804a00c W data_start0804a018 b dtor_idx.6992080483c0 t frame_dummy080483e4 T main U memcpy@@GLIBC_2.0

3.4 ldd

使用ldd命令查看二进制程序的共享连接库依赖，包括库的名称、起始地址，这样能够肯定段错误究竟是发生在了本身的程序中仍是依赖的共享库中。以程序2.3为例：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ ldd ./segfault3 linux-gate.so.1 => (0x00e08000) libc.so.6 => /lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 (0x00675000) /lib/ld-linux.so.2 (0x00482000)

4. 段错误的调试方法

4.1 使用printf输出信息

这个是看似最简单但每每不少状况下十分有效的调试方式，也许能够说是程序员用的最多的调试方式。简单来讲，就是在程序的重要代码附近加上像printf这类输出信息，这样能够跟踪并打印出段错误在代码中可能出现的位置。

为了方便使用这种方法，可使用条件编译指令#ifdef DEBUG和#endif把printf函数包起来。这样在程序编译时，若是加上-DDEBUG参数就能查看调试信息；不然不加该参数就不会显示调试信息。

4.2 使用gcc和gdb

4.2.1 调试步骤

 一、为了可以使用gdb调试程序，在编译阶段加上-g参数，以程序2.3为例：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ gcc -g -o segfault3 segfault3.c

二、使用gdb命令调试程序：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ gdb ./segfault3GNU gdb (GDB) 7.0-ubuntuCopyright (C) 2009 Free Software Foundation, Inc.License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>This is free software: you are free to change and redistribute it.There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law. Type "show copying"and "show warranty" for details.This GDB was configured as "i486-linux-gnu".For bug reporting instructions, please see:<http://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>...Reading symbols from /home/panfeng/segfault/segfault3...done.(gdb)

三、进入gdb后，运行程序：

(gdb) runStarting program: /home/panfeng/segfault/segfault3
Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.0x001a306a in memcpy () from /lib/tls/i686/cmov/libc.so.6(gdb)

从输出看出，程序2.3收到SIGSEGV信号，触发段错误，并提示地址0x001a306a、调用memcpy报的错，位于/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6库中。

四、完成调试后，输入quit命令退出gdb：

(gdb) quitA debugging session is active.
 Inferior 1 [process 3207] will be killed.
Quit anyway? (y or n) y

4.2.2 适用场景

一、仅当能肯定程序必定会发生段错误的状况下使用。

二、当程序的源码能够得到的状况下，使用-g参数编译程序。

三、通常用于测试阶段，生产环境下gdb会有反作用：使程序运行减慢，运行不够稳定，等等。

四、即便在测试阶段，若是程序过于复杂，gdb也不能处理。

4.3 使用core文件和gdb

在4.2节中提到段错误会触发SIGSEGV信号，经过man 7 signal，能够看到SIGSEGV默认的handler会打印段错误出错信息，并产生core文件，由此咱们能够借助于程序异常退出时生成的core文件中的调试信息，使用gdb工具来调试程序中的段错误。

4.3.1 调试步骤

一、在一些Linux版本下，默认是不产生core文件的，首先能够查看一下系统core文件的大小限制：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ ulimit -c0

二、能够看到默认设置状况下，本机Linux环境下发生段错误时不会自动生成core文件，下面设置下core文件的大小限制（单位为KB）：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ ulimit -c 1024panfeng@ubuntu:~/segfault$ ulimit -c1024

三、运行程序2.3，发生段错误生成core文件：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ ./segfault3段错误 (core dumped)

四、加载core文件，使用gdb工具进行调试：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ gdb ./segfault3 ./coreGNU gdb (GDB) 7.0-ubuntuCopyright (C) 2009 Free Software Foundation, Inc.License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>This is free software: you are free to change and redistribute it.There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law. Type "show copying"and "show warranty" for details.This GDB was configured as "i486-linux-gnu".For bug reporting instructions, please see:<http://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>...Reading symbols from /home/panfeng/segfault/segfault3...done.
warning: Can't read pathname for load map: 输入/输出错误.Reading symbols from /lib/tls/i686/cmov/libc.so.6...(no debugging symbols found)...done.Loaded symbols for /lib/tls/i686/cmov/libc.so.6Reading symbols from /lib/ld-linux.so.2...(no debugging symbols found)...done.Loaded symbols for /lib/ld-linux.so.2Core was generated by `./segfault3'.Program terminated with signal 11, Segmentation fault.#0 0x0018506a in memcpy () from /lib/tls/i686/cmov/libc.6

从输出看出，同4.2.1中同样的段错误信息。

五、完成调试后，输入quit命令退出gdb：

(gdb) quit

4.3.2 适用场景

一、适合于在实际生成环境下调试程序的段错误（即在不用从新发生段错误的状况下重现段错误）。

二、当程序很复杂，core文件至关大时，该方法不可用。

4.4 使用objdump

4.4.1 调试步骤

一、使用dmesg命令，找到最近发生的段错误输出信息：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ dmesg... ...[17257.502808] segfault3[3320]: segfault at 80484e0 ip 0018506a sp bfc1cd6c error 7 in libc-2.10.1.so[110000+13e000]

其中，对咱们接下来的调试过程有用的是发生段错误的地址：80484e0和指令指针地址：0018506a。

二、使用objdump生成二进制的相关信息，重定向到文件中：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ objdump -d ./segfault3 > segfault3Dump

其中，生成的segfault3Dump文件中包含了二进制文件的segfault3的汇编代码。

三、在segfault3Dump文件中查找发生段错误的地址：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ grep -n -A 10 -B 10 "80484e0" ./segfault3Dump121- 80483df: ff d0 call *%eax122- 80483e1: c9 leave123- 80483e2: c3 ret124- 80483e3: 90 nop125-126-080483e4 <main>:127- 80483e4: 55 push %ebp128- 80483e5: 89 e5 mov %esp,%ebp129- 80483e7: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp130- 80483ea: 83 ec 20 sub $0x20,%esp131: 80483ed: c7 44 24 1c e0 84 04 movl $0x80484e0,0x1c(%esp)132- 80483f4: 08133- 80483f5: b8 e5 84 04 08 mov $0x80484e5,%eax134- 80483fa: c7 44 24 08 05 00 00 movl $0x5,0x8(%esp)135- 8048401: 00136- 8048402: 89 44 24 04 mov %eax,0x4(%esp)137- 8048406: 8b 44 24 1c mov 0x1c(%esp),%eax138- 804840a: 89 04 24 mov %eax,(%esp)139- 804840d: e8 0a ff ff ff call 804831c <memcpy@plt>140- 8048412: c9 leave141- 8048413: c3 ret

经过对以上汇编代码分析，得知段错误发生main函数，对应的汇编指令是movl $0x80484e0,0x1c(%esp)，接下来打开程序的源码，找到汇编指令对应的源码，也就定位到段错误了。

4.4.2 适用场景

一、不须要-g参数编译，不须要借助于core文件，但须要有必定的汇编语言基础。

二、若是使用了gcc编译优化参数（-O1，-O2，-O3）的话，生成的汇编指令将会被优化，使得调试过程有些难度。

4.5 使用catchsegv

catchsegv命令专门用来扑获段错误，它经过动态加载器（ld-linux.so）的预加载机制（PRELOAD）把一个事先写好的库（/lib/libSegFault.so）加载上，用于捕捉断错误的出错信息。

panfeng@ubuntu:~/segfault$ catchsegv ./segfault3Segmentation fault (core dumped)*** Segmentation faultRegister dump:
 EAX: 00000000 EBX: 00fb3ff4 ECX: 00000002 EDX: 00000000 ESI: 080484e5 EDI: 080484e0 EBP: bfb7ad38 ESP: bfb7ad0c
 EIP: 00ee806a EFLAGS: 00010203
 CS: 0073 DS: 007b ES: 007b FS: 0000 GS: 0033 SS: 007b
 Trap: 0000000e Error: 00000007 OldMask: 00000000 ESP/signal: bfb7ad0c CR2: 080484e0
Backtrace:/lib/libSegFault.so[0x3b606f]??:0(??)[0xc76400]/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6(__libc_start_main+0xe6)[0xe89b56]/build/buildd/eglibc-2.10.1/csu/../sysdeps/i386/elf/start.S:122(_start)[0x8048351]
Memory map:
00258000-00273000 r-xp 00000000 08:01 157 /lib/ld-2.10.1.so00273000-00274000 r--p 0001a000 08:01 157 /lib/ld-2.10.1.so00274000-00275000 rw-p 0001b000 08:01 157 /lib/ld-2.10.1.so003b4000-003b7000 r-xp 00000000 08:01 13105 /lib/libSegFault.so003b7000-003b8000 r--p 00002000 08:01 13105 /lib/libSegFault.so003b8000-003b9000 rw-p 00003000 08:01 13105 /lib/libSegFault.so00c76000-00c77000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]00e0d000-00e29000 r-xp 00000000 08:01 4817 /lib/libgcc_s.so.100e29000-00e2a000 r--p 0001b000 08:01 4817 /lib/libgcc_s.so.100e2a000-00e2b000 rw-p 0001c000 08:01 4817 /lib/libgcc_s.so.100e73000-00fb1000 r-xp 00000000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so00fb1000-00fb2000 ---p 0013e000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so00fb2000-00fb4000 r--p 0013e000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so00fb4000-00fb5000 rw-p 00140000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so00fb5000-00fb8000 rw-p 00000000 00:00 008048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 303895 /home/panfeng/segfault/segfault308049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 303895 /home/panfeng/segfault/segfault30804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 303895 /home/panfeng/segfault/segfault309432000-09457000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]b78cf000-b78d1000 rw-p 00000000 00:00 0b78df000-b78e1000 rw-p 00000000 00:00 0bfb67000-bfb7c000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]

5. 一些注意事项

一、出现段错误时，首先应该想到段错误的定义，从它出发考虑引起错误的缘由。

二、在使用指针时，定义了指针后记得初始化指针，在使用的时候记得判断是否为NULL。

三、在使用数组时，注意数组是否被初始化，数组下标是否越界，数组元素是否存在等。

四、在访问变量时，注意变量所占地址空间是否已经被程序释放掉。

五、在处理变量时，注意变量的格式控制是否合理等。

6. 参考资料列表

一、http://www.docin.com/p-105923877.html

二、http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=317451&do=blog&id=92412

本文分享自微信公众号 - 人人都是极客（rrgeek）。
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