Linux環境下段錯誤的產生原因及除錯方法小結

maojunxu發表於2018-03-09

最近在Linux環境下做C語言專案，由於是在一個原有專案基礎之上進行二次開發，而且專案工程龐大複雜，出現了不少問題，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）。藉此機會系統學習了一下，這裡對Linux環境下的段錯誤做個小結，方便以後同類問題的排查與解決。

1. 段錯誤是什麼

一句話來說，段錯誤是指訪問的記憶體超出了系統給這個程式所設定的記憶體空間，例如訪問了不存在的記憶體地址、訪問了系統保護的記憶體地址、訪問了只讀的記憶體地址等等情況。這裡貼一個對於“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 It has been superseded by paging for most purposes, but much of the terminology of segmentation is still used, "segmentation fault" being an example.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. 段錯誤產生的原因

2.1 訪問不存在的記憶體地址

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

2.2 訪問系統保護的記憶體地址

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

2.3 訪問只讀的記憶體地址

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

2.4 棧溢位

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

等等其他原因。

3. 段錯誤資訊的獲取

程式發生段錯誤時，提示資訊很少，下面有幾種檢視段錯誤的發生資訊的途徑。

3.1 dmesg

dmesg可以在應用程式crash掉時，顯示核心中儲存的相關資訊。如下所示，通過dmesg命令可以檢視發生段錯誤的程式名稱、引起段錯誤發生的記憶體地址、指令指標地址、堆疊指標地址、錯誤程式碼、錯誤原因等。以程式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編譯程式的原始碼時，加上-g引數，這樣可以使得生成的二進位制檔案中加入可以用於gdb除錯的有用資訊。以程式2.3為例：

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

3.3 nm

使用nm命令列出二進位制檔案中的符號表，包括符號地址、符號型別、符號名等，這樣可以幫助定位在哪裡發生了段錯誤。以程式2.3為例：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ nm segfault3
08049f20 d _DYNAMIC
08049ff4 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
080484dc R _IO_stdin_used
         w _Jv_RegisterClasses
08049f10 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_start
0804a00c D __data_start
08048490 t __do_global_ctors_aux
08048360 t __do_global_dtors_aux
0804a010 D __dso_handle
         w __gmon_start__
0804848a T __i686.get_pc_thunk.bx
08049f0c d __init_array_end
08049f0c d __init_array_start
08048420 T __libc_csu_fini
08048430 T __libc_csu_init
         U __libc_start_main@@GLIBC_2.0
0804a014 A _edata
0804a01c A _end
080484bc T _fini
080484d8 R _fp_hw
080482bc T _init
08048330 T _start
0804a014 b completed.6990
0804a00c W data_start
0804a018 b dtor_idx.6992
080483c0 t frame_dummy
080483e4 T main
         U memcpy@@GLIBC_2.0

3.4 ldd

使用ldd命令檢視二進位制程式的共享連結庫依賴，包括庫的名稱、起始地址，這樣可以確定段錯誤到底是發生在了自己的程式中還是依賴的共享庫中。以程式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. 段錯誤的除錯方法

4.1 使用printf輸出資訊

這個是看似最簡單但往往很多情況下十分有效的除錯方式，也許可以說是程式設計師用的最多的除錯方式。簡單來說，就是在程式的重要程式碼附近加上像printf這類輸出資訊，這樣可以跟蹤並列印出段錯誤在程式碼中可能出現的位置。

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函式包起來。這樣在程式編譯時，如果加上-DDEBUG引數就能檢視除錯資訊；否則不加該引數就不會顯示除錯資訊。

4.2 使用gcc和gdb

4.2.1 除錯步驟

1、為了能夠使用gdb除錯程式，在編譯階段加上-g引數，以程式2.3為例：

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

2、使用gdb命令除錯程式：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ gdb ./segfault3 
GNU gdb (GDB) 7.0-ubuntu
Copyright (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)

3、進入gdb後，執行程式：

(gdb) run
Starting 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，程式2.3收到SIGSEGV訊號，觸發段錯誤，並提示地址0x001a306a、呼叫memcpy報的錯，位於/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6庫中。

4、完成除錯後，輸入quit命令退出gdb：

(gdb) quit
A 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、僅當能確定程式一定會發生段錯誤的情況下使用。

2、當程式的原始碼可以獲得的情況下，使用-g引數編譯程式。

3、一般用於測試階段，生產環境下gdb會有副作用：使程式執行減慢，執行不夠穩定，等等。

4、即使在測試階段，如果程式過於複雜，gdb也不能處理。

4.3 使用core檔案和gdb

在4.2節中提到段錯誤會觸發SIGSEGV訊號，通過man 7 signal，可以看到SIGSEGV預設的handler會列印段錯誤出錯資訊，併產生core檔案，由此我們可以藉助於程式異常退出時生成的core檔案中的除錯資訊，使用gdb工具來除錯程式中的段錯誤。

4.3.1 除錯步驟

1、在一些Linux版本下，預設是不產生core檔案的，首先可以檢視一下系統core檔案的大小限制：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ ulimit -c
0

2、可以看到預設設定情況下，本機Linux環境下發生段錯誤時不會自動生成core檔案，下面設定下core檔案的大小限制（單位為KB）：

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

3、執行程式2.3，發生段錯誤生成core檔案：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ ./segfault3
段錯誤 (core dumped)

4、載入core檔案，使用gdb工具進行除錯：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ gdb ./segfault3 ./core 
GNU gdb (GDB) 7.0-ubuntu
Copyright (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: 輸入/輸出錯誤.
Reading symbols from /lib/tls/i686/cmov/libc.so.6...(no debugging symbols found)...done.
Loaded symbols for /lib/tls/i686/cmov/libc.so.6
Reading symbols from /lib/ld-linux.so.2...(no debugging symbols found)...done.
Loaded symbols for /lib/ld-linux.so.2
Core was generated by `./segfault3`.
Program terminated with signal 11, Segmentation fault.
#0  0x0018506a in memcpy () from /lib/tls/i686/cmov/libc.6

從輸出看出，同4.2.1中一樣的段錯誤資訊。

5、完成除錯後，輸入quit命令退出gdb：

(gdb) quit

4.3.2 適用場景

1、適合於在實際生成環境下除錯程式的段錯誤（即在不用重新發生段錯誤的情況下重現段錯誤）。

2、當程式很複雜，core檔案相當大時，該方法不可用。

4.4 使用objdump

4.4.1 除錯步驟

1、使用dmesg命令，找到最近發生的段錯誤輸出資訊：

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，對我們接下來的除錯過程有用的是發生段錯誤的地址：80484e0和指令指標地址：0018506a。

2、使用objdump生成二進位制的相關資訊，重定向到檔案中：

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

其中，生成的segfault3Dump檔案中包含了二進位制檔案的segfault3的彙編程式碼。

3、在segfault3Dump檔案中查詢發生段錯誤的地址：

panfeng@ubuntu:~/segfault$ grep -n -A 10 -B 10 "80484e0" ./segfault3Dump 
121- 80483df:    ff d0                    call   *%eax
122- 80483e1:    c9                       leave  
123- 80483e2:    c3                       ret    
124- 80483e3:    90                       nop
125-
126-080483e4 <main>:
127- 80483e4:    55                       push   %ebp
128- 80483e5:    89 e5                    mov    %esp,%ebp
129- 80483e7:    83 e4 f0                 and    $0xfffffff0,%esp
130- 80483ea:    83 ec 20                 sub    $0x20,%esp
131: 80483ed:    c7 44 24 1c e0 84 04     movl   $0x80484e0,0x1c(%esp)
132- 80483f4:    08 
133- 80483f5:    b8 e5 84 04 08           mov    $0x80484e5,%eax
134- 80483fa:    c7 44 24 08 05 00 00     movl   $0x5,0x8(%esp)
135- 8048401:    00 
136- 8048402:    89 44 24 04              mov    %eax,0x4(%esp)
137- 8048406:    8b 44 24 1c              mov    0x1c(%esp),%eax
138- 804840a:    89 04 24                 mov    %eax,(%esp)
139- 804840d:    e8 0a ff ff ff           call   804831c <memcpy@plt>
140- 8048412:    c9                       leave  
141- 8048413:    c3                       ret

通過對以上彙編程式碼分析，得知段錯誤發生main函式，對應的彙編指令是movl $0x80484e0,0x1c(%esp)，接下來開啟程式的原始碼，找到彙編指令對應的原始碼，也就定位到段錯誤了。

4.4.2 適用場景

1、不需要-g引數編譯，不需要藉助於core檔案，但需要有一定的組合語言基礎。

2、如果使用了gcc編譯優化引數（-O1，-O2，-O3）的話，生成的彙編指令將會被優化，使得除錯過程有些難度。

4.5 使用catchsegv

catchsegv命令專門用來撲獲段錯誤，它通過動態載入器（ld-linux.so）的預載入機制（PRELOAD）把一個事先寫好的庫（/lib/libSegFault.so）載入上，用於捕捉斷錯誤的出錯資訊。

panfeng@ubuntu:~/segfault$ catchsegv ./segfault3
Segmentation fault (core dumped)
*** Segmentation fault
Register 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.so
00273000-00274000 r--p 0001a000 08:01 157 /lib/ld-2.10.1.so
00274000-00275000 rw-p 0001b000 08:01 157 /lib/ld-2.10.1.so
003b4000-003b7000 r-xp 00000000 08:01 13105 /lib/libSegFault.so
003b7000-003b8000 r--p 00002000 08:01 13105 /lib/libSegFault.so
003b8000-003b9000 rw-p 00003000 08:01 13105 /lib/libSegFault.so
00c76000-00c77000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
00e0d000-00e29000 r-xp 00000000 08:01 4817 /lib/libgcc_s.so.1
00e29000-00e2a000 r--p 0001b000 08:01 4817 /lib/libgcc_s.so.1
00e2a000-00e2b000 rw-p 0001c000 08:01 4817 /lib/libgcc_s.so.1
00e73000-00fb1000 r-xp 00000000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so
00fb1000-00fb2000 ---p 0013e000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so
00fb2000-00fb4000 r--p 0013e000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so
00fb4000-00fb5000 rw-p 00140000 08:01 1800 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.10.1.so
00fb5000-00fb8000 rw-p 00000000 00:00 0
08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 303895 /home/panfeng/segfault/segfault3
08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 303895 /home/panfeng/segfault/segfault3
0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 303895 /home/panfeng/segfault/segfault3
09432000-09457000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
b78cf000-b78d1000 rw-p 00000000 00:00 0
b78df000-b78e1000 rw-p 00000000 00:00 0
bfb67000-bfb7c000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]

5. 一些注意事項

1、出現段錯誤時，首先應該想到段錯誤的定義，從它出發考慮引發錯誤的原因。

2、在使用指標時，定義了指標後記得初始化指標，在使用的時候記得判斷是否為NULL。

3、在使用陣列時，注意陣列是否被初始化，陣列下標是否越界，陣列元素是否存在等。

4、在訪問變數時，注意變數所佔地址空間是否已經被程式釋放掉。

5、在處理變數時，注意變數的格式控制是否合理等。

6. 參考資料列表

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

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

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