前言

C/C++开发者经常会遇到段错误（segfault），定位很困难。在开发环节可以用单元测试等手段，但是在线上环境可能没有基本的开发调试工具，这种情况下就需要一些调试方法。本文介绍在linux下使用core dump和gdb调试段错误(核心已转储) Segmentation fault (core dumped) 问题。

1. 基础知识

1.1 段错误简介

段错误就是指应用程序访问的内存超出了系统所给的内存空间。

可能导致段错误的原因有：

访问系统数据区，最常见就是操作0x00地址的指针
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
栈溢出(Linux一般默认栈空间大小为8192kb，ulimit -s命令查看)

1.2 段错误典型错误代码

1.2.1 访问系统数据区

#include <stdio.h>
int main(void)
{
	int*ptr = NULL;
	*ptr = 1;// 给0地址写值
	return 0;
}

对于指针的使用，以下是指针的典型正确使用：

// main.cpp
// gcc -g main.cpp -o main -lstdc++
// g++ -g main.cpp -o main

#include <stdio.h>
int main(void)
{
	int* ptr = NULL; // 1. 指针初始化为NULL(C++11建议使用nullptr)
	ptr = new int(); // 2. 为指针申请内存
	if(ptr == NULL) // 3. 判断是否申请内存成功
	{
		printf("memory new error");
		return 0;
	}

    // 4. 使用指针(使用前判空)
	if(ptr != NULL)
	{
		*ptr = 1; 
		printf("ptr: %d", *ptr);
	}
	
	// 5. 释放指针并置空
	if(ptr != NULL)
	{
		delete ptr; // 防止内存泄漏(new与delete成对存在)
		ptr = NULL; // 释放后置空，防止野指针
	}
	
	return 0;
}

1.2.2 内存越界

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    char*s ="test";
    *s ='a';// 写入只读内存
    return 0;
}

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    char s[1];
    printf("%c", s[99999]); // 数组越界访问
    return 0;
}

1.2.3 栈溢出

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	char temp[1024*1024*8] = {0}; // 栈溢出(ulimit -s 默认为8192kb)
    
    return 0;
}

2. 段错误信息获取

#include <stdio.h>
int main(void)
{
	int*ptr = NULL;
	*ptr = 1;// 给0地址写值
	return 0;
}

编译命令

gcc -g main.cpp -o main

2.1 dmesg

dmesg是（显示或驱动程序）消息。它用于检查或控制内核环形缓冲区。

$ dmesg 
...
[131196.647617] main[60331]: segfault at 0 ip 00000000004004fd sp 00007ffe3dd49f10 error 6 in main[400000+1000]

字段说明：

segfault at 引起故障的地址 ip 指令的内存地址 sp 堆栈指针地址, 及栈顶指针

error number是由三个字位组成的，从高到底分别为bit2 bit1和bit0,所以它的取值范围是0~7.

bit 2 ==	 0: kernel-mode access	1: user-mode access
bit 1 ==	 0: read access		1: write access
bit 0 ==	 0: no page found	1: protection fault

因此，以上的段错误定位为user-mode access和write access，也就是用户态内存写入访问越界

2.2 系统日志/var/log/messages

系统日志/var/log/messages 包含全局系统消息，包括系统启动期间记录的消息，如mail，cron，daemon，kern，auth等

$ sudo cat /var/log/messages
...
Mar 30 10:49:52 localhost kernel: main[60331]: segfault at 0 ip 00000000004004fd sp 00007ffe3dd49f10 error 6 in main[400000+1000]

3. 段错误的调试

3.1 gdb调试

适用场景：

适合于在生产环境下调试程序的段错误
当程序很复杂，core文件相当大时，该方法不可用

3.1.1 开启生成core文件

查看生成core文件是否开启(0表示未开启)

$ ulimit -c 
0

设置生成core文件

$ ulimit -c unlimited

3.1.2 gdb调试core文件

$ gdb main core.83505

...
Core was generated by `./main'.
Program terminated with signal 11, Segmentation fault.
#0  0x00000000004004fd in main () at main.cpp:5
5               *ptr = 1;// 给0地址写值
Missing separate debuginfos, use: debuginfo-install glibc-2.17-196.el7.ns7.01.x86_64
(gdb) bt
#0  0x00000000004004fd in main () at main.cpp:5
...

3.2 objdump反汇编调试

适用场景

不需要-g参数编译，不需要借助于core文件，但需要有汇编基础
使用了gcc编译优化参数（-O1，-O2，-O3）时，生成的汇编指令将会被优化，使得调试过程更加复杂

指令地址00000000004004fd，main起始映射地址400000，计算指令的偏移地址：4004fd- 400000= 004fd

objdump -ld main > dumpcode

其中，-l 表示在输出中包含行号和文件名(编译时使用-g生成)

00000000004004ed <main>:
main():
/mnt/hgfs/vm_share/cpp/main.cpp:3
  4004ed:	55                   	push   %rbp
  4004ee:	48 89 e5             	mov    %rsp,%rbp
/mnt/hgfs/vm_share/cpp/main.cpp:4
  4004f1:	48 c7 45 f8 00 00 00 	movq   $0x0,-0x8(%rbp)
  4004f8:	00 
/mnt/hgfs/vm_share/cpp/main.cpp:5
  4004f9:	48 8b 45 f8          	mov    -0x8(%rbp),%rax
  4004fd:	c7 00 01 00 00 00    	movl   $0x1,(%rax)
/mnt/hgfs/vm_share/cpp/main.cpp:6
  400503:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
/mnt/hgfs/vm_share/cpp/main.cpp:7
  400508:	5d                   	pop    %rbp
  400509:	c3                   	retq   
  40050a:	66 0f 1f 44 00 00    	nopw   0x0(%rax,%rax,1)

/mnt/hgfs/vm_share/cpp/main.cpp:5
  4004f9:	48 8b 45 f8          	mov    -0x8(%rbp),%rax
  4004fd:	c7 00 01 00 00 00    	movl   $0x1,(%rax)

由此可以确定段错误在main.cpp的第5行*ptr = 1;。

如果是非调试版本，则需要通过汇编来确定代码位置。

3.3 catchsegv

catchsegv命令专门用来捕获段错误，它通过动态加载器（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。

$ catchsegv ./main
*** Segmentation fault
Register dump:

 RAX: 0000000000000000   RBX: 0000000000000000   RCX: 0000000000400510
 RDX: 00007fff5e1dfed8   RSI: 00007fff5e1dfec8   RDI: 0000000000000001
 RBP: 00007fff5e1dfde0   R8 : 00007fe2e3dd8e80   R9 : 0000000000000000
 R10: 00007fff5e1dfbc0   R11: 00007fe2e3a3cb10   R12: 0000000000400400
 R13: 00007fff5e1dfec0   R14: 0000000000000000   R15: 0000000000000000
 RSP: 00007fff5e1dfde0

 RIP: 00000000004004fd   EFLAGS: 00010246

 CS: 0033   FS: 0000   GS: 0000

 Trap: 0000000e   Error: 00000006   OldMask: 00000000   CR2: 00000000

 FPUCW: 0000037f   FPUSW: 00000000   TAG: 00000000
 RIP: 00000000   RDP: 00000000

 ST(0) 0000 0000000000000000   ST(1) 0000 0000000000000000
 ST(2) 0000 0000000000000000   ST(3) 0000 0000000000000000
 ST(4) 0000 0000000000000000   ST(5) 0000 0000000000000000
 ST(6) 0000 0000000000000000   ST(7) 0000 0000000000000000
 mxcsr: 1f80
 XMM0:  00000000000000000000000000000000 XMM1:  00000000000000000000000000000000
 XMM2:  00000000000000000000000000000000 XMM3:  00000000000000000000000000000000
 XMM4:  00000000000000000000000000000000 XMM5:  00000000000000000000000000000000
 XMM6:  00000000000000000000000000000000 XMM7:  00000000000000000000000000000000
 XMM8:  00000000000000000000000000000000 XMM9:  00000000000000000000000000000000
 XMM10: 00000000000000000000000000000000 XMM11: 00000000000000000000000000000000
 XMM12: 00000000000000000000000000000000 XMM13: 00000000000000000000000000000000
 XMM14: 00000000000000000000000000000000 XMM15: 00000000000000000000000000000000

Backtrace:
/mnt/hgfs/vm_share/cpp/main.cpp:5(main)[0x4004fd]
/lib64/libc.so.6(__libc_start_main+0xf5)[0x7fe2e3a3cc05]
??:?(_start)[0x400429]
...

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