Linux環(huán)境下段錯誤的產(chǎn)生原因及調(diào)試方法小結(jié)
最近在Linux環(huán)境下做C語言項目，由于是在一個原有項目基礎(chǔ)之上進行二次開發(fā)，而且項目工程龐大復(fù)雜，出現(xiàn)了不少問題，其中遇到最多、花費時間最長的問題就是著名的“段錯誤”（Segmentation Fault）。借此機會系統(tǒng)學(xué)習(xí)了一下，這里對Linux環(huán)境下的段錯誤做個小結(jié)，方便以后同類問題的排查與解決。
1. 段錯誤是什么
一句話來說，段錯誤是指訪問的內(nèi)存超出了系統(tǒng)給這個程序所設(shè)定的內(nèi)存空間，例如訪問了不存在的內(nèi)存地址、訪問了系統(tǒng)保護的內(nèi)存地址、訪問了只讀的內(nèi)存地址等等情況。這里貼一個對于“段錯誤”的準確定義（參考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 It has been superseded by paging for most purposes, but much of the terminology of segmentation is still used, "segmentation fault" being an example.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. 段錯誤產(chǎn)生的原因
2.1 訪問不存在的內(nèi)存地址
#include
2.2 訪問系統(tǒng)保護的內(nèi)存地址
#include
2.3 訪問只讀的內(nèi)存地址
#include
2.4 棧溢出
#include
等等其他原因。
3. 段錯誤信息的獲取
程序發(fā)生段錯誤時，提示信息很少，下面有幾種查看段錯誤的發(fā)生信息的途徑。
3.1 dmesg
dmesg可以在應(yīng)用程序crash掉時，顯示內(nèi)核中保存的相關(guān)信息。如下所示，通過dmesg命令可以查看發(fā)生段錯誤的程序名稱、引起段錯誤發(fā)生的內(nèi)存地址、指令指針地址、堆棧指針地址、錯誤代碼、錯誤原因等。以程序2.3為例：
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編譯程序的源碼時，加上-g參數(shù)，這樣可以使得生成的二進制文件中加入可以用于gdb調(diào)試的有用信息。以程序2.3為例：
panfeng@ubuntu:~/segfault$ gcc -g -o segfault3 segfault3.c
3.3 nm
使用nm命令列出二進制文件中的符號表，包括符號地址、符號類型、符號名等，這樣可以幫助定位在哪里發(fā)生了段錯誤。以程序2.3為例：
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命令查看二進制程序的共享鏈接庫依賴，包括庫的名稱、起始地址，這樣可以確定段錯誤到底是發(fā)生在了自己的程序中還是依賴的共享庫中。以程序2.3為例：
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. 段錯誤的調(diào)試方法
4.1 使用printf輸出信息
這個是看似最簡單但往往很多情況下十分有效的調(diào)試方式，也許可以說是程序員用的最多的調(diào)試方式。簡單來說，就是在程序的重要代碼附近加上像printf這類輸出信息，這樣可以跟蹤并打印出段錯誤在代碼中可能出現(xiàn)的位置。
為了方便使用這種方法，可以使用條件編譯指令#ifdef DEBUG和#endif把printf函數(shù)包起來。這樣在程序編譯時，如果加上-DDEBUG參數(shù)就能查看調(diào)試信息；否則不加該參數(shù)就不會顯示調(diào)試信息。
4.2 使用gcc和gdb
4.2.1 調(diào)試步驟
1、為了能夠使用gdb調(diào)試程序，在編譯階段加上-g參數(shù)，以程序2.3為例：
panfeng@ubuntu:~/segfault$ gcc -g -o segfault3 segfault3.c
2、使用gdb命令調(diào)試程序：
panfeng@ubuntu:~/segfault$ gdb ./segfault3GNU gdb (GDB) 7.0-ubuntuCopyright (C) 2009 Free Software Foundation, Inc.License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later
3、進入gdb后，運行程序：
(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)
從輸出看出，程序2.3收到SIGSEGV信號，觸發(fā)段錯誤，并提示地址0x001a306a、調(diào)用memcpy報的錯，位于/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6庫中。
4、完成調(diào)試后，輸入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 適用場景
1、僅當能確定程序一定會發(fā)生段錯誤的情況下使用。
2、當程序的源碼可以獲得的情況下，使用-g參數(shù)編譯程序。
3、一般用于測試階段，生產(chǎn)環(huán)境下gdb會有副作用：使程序運行減慢，運行不夠穩(wěn)定，等等。
4、即使在測試階段，如果程序過于復(fù)雜，gdb也不能處理。
4.3 使用core文件和gdb
在4.2節(jié)中提到段錯誤會觸發(fā)SIGSEGV信號，通過man 7 signal，可以看到SIGSEGV默認的handler會打印段錯誤出錯信息，并產(chǎn)生core文件，由此我們可以借助于程序異常退出時生成的core文件中的調(diào)試信息，使用gdb工具來調(diào)試程序中的段錯誤。
4.3.1 調(diào)試步驟
1、在一些Linux版本下，默認是不產(chǎn)生core文件的，首先可以查看一下系統(tǒng)core文件的大小限制：
panfeng@ubuntu:~/segfault$ ulimit -c0
2、可以看到默認設(shè)置情況下，本機Linux環(huán)境下發(fā)生段錯誤時不會自動生成core文件，下面設(shè)置下core文件的大小限制（單位為KB）：
panfeng@ubuntu:~/segfault$ ulimit -c 1024panfeng@ubuntu:~/segfault$ ulimit -c1024
3、運行程序2.3，發(fā)生段錯誤生成core文件：
panfeng@ubuntu:~/segfault$ ./segfault3段錯誤 (core dumped)
4、加載core文件，使用gdb工具進行調(diào)試：
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
從輸出看出，同4.2.1中一樣的段錯誤信息。
5、完成調(diào)試后，輸入quit命令退出gdb：
(gdb) quit
4.3.2 適用場景
1、適合于在實際生成環(huán)境下調(diào)試程序的段錯誤（即在不用重新發(fā)生段錯誤的情況下重現(xiàn)段錯誤）。
2、當程序很復(fù)雜，core文件相當大時，該方法不可用。
4.4 使用objdump
4.4.1 調(diào)試步驟
1、使用dmesg命令，找到最近發(fā)生的段錯誤輸出信息：
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，對我們接下來的調(diào)試過程有用的是發(fā)生段錯誤的地址：80484e0和指令指針地址：0018506a。
2、使用objdump生成二進制的相關(guān)信息，重定向到文件中：
panfeng@ubuntu:~/segfault$ objdump -d ./segfault3 > segfault3Dump
其中，生成的segfault3Dump文件中包含了二進制文件的segfault3的匯編代碼。
3、在segfault3Dump文件中查找發(fā)生段錯誤的地址：
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
通過對以上匯編代碼分析，得知段錯誤發(fā)生main函數(shù)，對應(yīng)的匯編指令是movl $0x80484e0,0x1c(%esp)，接下來打開程序的源碼，找到匯編指令對應(yīng)的源碼，也就定位到段錯誤了。
4.4.2 適用場景
1、不需要-g參數(shù)編譯，不需要借助于core文件，但需要有一定的匯編語言基礎(chǔ)。
2、如果使用了gcc編譯優(yōu)化參數(shù)（-O1，-O2，-O3）的話，生成的匯編指令將會被優(yōu)化，使得調(diào)試過程有些難度。
4.5 使用catchsegv
catchsegv命令專門用來撲獲段錯誤，它通過動態(tài)加載器（ld-linux.so）的預(yù)加載機制（PRELOAD）把一個事先寫好的庫（/lib/libSegFault.so）加載上，用于捕捉斷錯誤的出錯信息。
panfeng@ubuntu:~/segfault$ 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. 一些注意事項
1、出現(xiàn)段錯誤時，首先應(yīng)該想到段錯誤的定義，從它出發(fā)考慮引發(fā)錯誤的原因。
2、在使用指針時，定義了指針后記得初始化指針，在使用的時候記得判斷是否為NULL。
3、在使用數(shù)組時，注意數(shù)組是否被初始化，數(shù)組下標是否越界，數(shù)組元素是否存在等。
4、在訪問變量時，注意變量所占地址空間是否已經(jīng)被程序釋放掉。
5、在處理變量時，注意變量的格式控制是否合理等。
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