C++高效获取函数调用堆栈.docx
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C++高效获取函数调用堆栈
C++高效获取函数调用堆栈
问题：
在程序的设计开发过程中，往往由于设计上的不足、编程上考虑得不周全或一些失误会导致程序的崩溃，影响了项目的进展，所以程序实现应该是异常安全的。
当出现了问题，需要能够快速找到问题所在，并确定出程序的上下文环境。
若能重现出现问题时的函数调用堆栈，对解决问题会有很大的帮助。
以往打印函数堆栈一般是使用DbgHelp.dll提供的功能进行。
该方法需要额外链接微软提供的库，该库有强大的功能，但使用上也比较复杂。
在此就不作介绍，有兴趣可以另外查阅书籍。
这里介绍一下另外一种实现方案，采用程序运行堆栈回溯确定函数的调用地址，并根据VC编译出来的map文件进行定位函数地址。
该方法功能单一，使用简单，效率较高。
1、背景知识
首先介绍一下该技术要用到的一些背景知识，一是函数调用堆栈，另一个就是异常处理。
1.1函数调用堆栈
调用堆栈与调用约定关系密切，平常编程中使用的_cdecl、__stdcall、__fastcall、WINAPI、APIENTRY、CALLBACK、PASCAL都是调用约定。
分类上有C语言调用约定、Pascal语言调用约定、This调用约定、快速调用约定、裸调用约定
1.1.1C语言调用约定
参数从右到左入栈，个数可变，调用函数者负责堆栈清理，性能比较低
1.1.2Pascal语言调用约定
参数从右到左入栈，个数固定，函数体本身就能知道传进来的参数个数
大部分的WindowsAPI都采用Pascal语言调用约定
1.1.3This调用约定
调用约定跟PASCAL语言调用约定相同，只是另外通过ECX寄存器传送一个额外的参数—this指针
1.1.4快速调用约定
要求将参数放在寄存器中，左边两个大小小于4个字节参数放在ECX和EDX寄存器，其余规定同Pascal调用约定。
1.1.5裸调用约定
__declspec（naked）
1.2异常处理
1.2.1C语言中提供的异常处理机制
setjmp与longjmp之外，goto语句在实际编程中也使用很广泛，处理机制并不是十分严谨，而且比较杂，功能也非常有限
1.2.2结构化异常处理（StructuredExceptionHandling，SEH）
微软提供给WIN32平台的异常处理机制，__try、__except、__finally、__leave就是提供该功能的关键字。
用__try定义出受监控的代码模块，__except定义异常处理模块，可以是平面的线性结构，也可以是分层的嵌套结构。
处理机制是向上逐级搜索恰当的异常处理模块，包括跨函数的多层嵌套try-except语句。
__except关键字带一个表达式作为参数。
表达式的值来匹配查找正确的异常处理模块，可以有1，2，3三个值。
处理流程定义如下：
1.受监控的代码模块被执行（也即__try定义的模块代码）；
2.如果上面的代码执行过程中，没有出现异常的话，那么控制流将转入到__except子句之后的代码模块中；
3.否则，如果出现异常的话，那么控制流将进入到__except后面的表达式中，也即首先计算这个表达式的值，之后再根据这个值，来决定做出相应的处理。
这个值有三种情况，如下：
EXCEPTION_CONTINUE_EXECUTION（–1）异常被忽略，控制流将在异常出现的点之后，继续恢复运行。
EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH（0）异常不被识别，也即当前的这个__except模块不是这个异常错误所对应的正确的异常处理模块。
系统将继续到上一层的try-except域中继续查找一个恰当的__except模块。
EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER
（1）异常已经被识别，也即当前的这个异常错误，系统已经找到了并能够确认，这个__except模块就是正确的异常处理模块。
控制流将进入到__except模块中。
当离开当前的作用域时，finally块区域内的代码都将会被执行到
Windows提供了两个API函数，这两个函数只能是在__except后面的括号中的表达式作用域内有效，否则结果可能没有保证，定义如下：
LPEXCEPTION_POINTERSGetExceptionInformation（VOID）;返回更全面的信息
DWORDGetExceptionCode（VOID）;返回错误代码
用到的数据结构，定义如下：
typedefstruct_EXCEPTION_POINTERS
{
PEXCEPTION_RECORDExceptionRecord;//异常相关的信息
PCONTEXTContextRecord;//异常发生时，线程当时的上下文环境，主要包括寄存器的值
}EXCEPTION_POINTERS;
typedefstruct_EXCEPTION_RECORD
{
DWORDExceptionCode;
DWORDExceptionFlags;
struct_EXCEPTION_RECORD*ExceptionRecord;
PVOIDExceptionAddress;
DWORDNumberParameters;
UINT_PTRExceptionInformation[EXCEPTION_MAXIMUM_PARAMETERS];
}EXCEPTION_RECORD;
typedefstruct_CONTEXT
{
…
DWORDEbp;//寄存器指针
…
}CONTEXT;
1.2.3C++异常处理模型
建立在SEH机制之上，经常用到的try，catch，throw就是该处理模型的关键字。
Catch子名可以带一个参数，可以是各种类型的异常数据对象，该语句根据异常对象的类型来匹配。
1.2.4SEH与C++异常模型的混合使用
• SEH与C++异常模型，可以在一起被混合使用。
但最好听从MSDN的建议：
在C程序中使用try-except和try-finally；而C++程序则应该使用try-catch。
• 混合使用时，C++异常模型可以捕获SEH异常；而SEH异常模型也可以捕获C++类型的异常。
而后者通常有点小问题，它一般主要运用在提高和保证产品的可靠性上（也即在顶层函数中使用try-except语句来catch任何异常）
• VC实现的异常处理机制中，不管是try-except模型，还是try-catch模型，它们都是以函数作为一个最基本“分析和控制”的目标，也即一个函数中只能采用一种形式的异常处理规则。
1.2.5常用方式
限制一：
如果一个函数中有局部对象的存在，若有异常捕获的话，那么它就一定得采用C++的异常处理机制，而不能采用__try,__except方式。
限制二：
一个函数只能采用一种形式的异常处理规则。
所以实践中try,catch处理模型较为常用，SEH类型的系统异常可以采用catch（…）语法来捕获，而该捕捉方式并没有提供上下文环境信息。
由于该问题的存在，使用时可以使用VC提供的_set_se_translator函数进行SEH到CE的转换。
该函数可以设置一个回调函数，当每次发生异常时系统就会调用该回调函数。
若该回调函数定义为抛出一个对象的话，就可以实现从SHE到对象的转换。
在多线程环境下，该函数必须在每个线程入口处调用一下，保证该线程程序异常时抛出一个对象。
2、实现说明
不同的调用约定，生成二进制代码指令会有所不同，下面介绍以Pascal语言调用约定作为例子介绍一下函数调用堆栈
int__stdcallAdd（inta,intb）
{
return（a+b）;
}
void__stdcallTestFunc（inta,intb,intc）
{
Add（1,2）;
}
voidmain（）
{
TestFunc（3,2,1）;
}
2.1函数调用：
44:
TestFunc（3,2,1）;
0040DAA5push1
0040DAA7push2
0040DAA9push3
0040DAABcall@ILT+10（TestFunc）（0040100f）
这里作了一个跳转
0040100FjmpTestFunc（00401050）
2.2 函数体：
36:
void__stdcallTestFunc（inta,intb,intc）
37:
{
00401050pushebp
00401051movebp,esp
00401053subesp,40h
00401056pushebx
00401057pushesi
00401058pushedi
00401059leaedi,[ebp-40h]
0040105Cmovecx,10h
00401061moveax,0CCCCCCCCh;初始值
00401066repstosdwordptr[edi]
38:
Add（1,2）;
00401068push2
0040106Apush1
0040106Ccall@ILT+0（Add）（00401005）
39:
}
00401071popedi
00401072popesi
00401073popebx
00401074addesp,40h
00401077cmpebp,esp
00401079call__chkesp（00401230）
0040107Emovesp,ebp
00401080popebp
00401081ret0Ch;清栈
2.3 函数体：
31:
int__stdcallAdd（inta,intb）
32:
{
00401020pushebp
00401021movebp,esp
00401023subesp,40h
00401026pushebx
00401027pushesi
00401028pushedi
00401029leaedi,[ebp-40h];[ebp-40h];40H（64字节）粒度为4Byte
0040102Cmovecx,10h
00401031moveax,0CCCCCCCCh;初始值
00401036repstosdwordptr[edi]
33:
return（a+b）;
00401038moveax,dwordptr[ebp+8]
0040103Baddeax,dwordptr[ebp+0Ch]
34:
}
0040103Epopedi
0040103Fpopesi
00401040popebx
00401041movesp,ebp
00401043popebp
00401044ret8;清栈
运行到00401036repstosdwordptr[edi]语句时，堆栈内容如下：
Esp指向当前函数堆栈，寄存器内容如下，
2.4逻辑图
下图从逻辑上指出了该函数的栈的使用情况:
由上图可以看出，每次函数调用都会压入参数，返回地址及ebp值，一次压栈后内存中有如下的数据结构：
typedefstructSTACK
{
STACK*Ebp;//指向上层函数堆栈地址
PBYTERet_Addr;//函数返回地址
DWORDParam[0];//参数列表
}STACK,*PSTACK;
其中Ebp指向上层函数调用的STACK结构，这样只要能取出本次函数调用的STACK结构，就能逆推出整个函数调用堆栈。
这样，只要能确定出本次函数调用堆栈，就能推导出整个函数调用堆栈。
在异常的情况下，可以通过上面介绍的EXCEPTION_POINTERS结构取出ebp及异常发出地址，进而推导出整个函数调用堆栈。
在正常情况下，可以通过Param[0]的地址向上偏移而得到本次函数调用堆栈。
3、环境配置
1修改CATCH的宏义
#defineDEBUG_TRYtry{
#defineDEBUG_CATCH（s）}catch（EXCEPTION_POINTERSe）{LogSaveE（&e,"CATCH:
***%s%d{"s"}crash!
***",__FILE__,__LINE__）;}catch（...）{charszFuncDump[1024];LogSave（"CATCH（...）:
***%s%d{"s"}crash!
%s***",__FILE__,__LINE__,DumpFuncAddress（6,szFuncDump））;}
2每个线程定义
CSEHExceptionm_SEHException;
入口地方调用
m_SEHException.initialize_seh_trans_to_ce（）;
3也可以在正常运行时调用DumpFuncAddress，不提供pException参数，会打出函数调用堆栈。
4projectSettings>Link>ProjectOptions下增加mapinfo:
lines，Generatemapfile打勾。
5#pragmaoptimize（"y",off）//保证CALLFRAME不会被优化掉
4、附：
函数代码
PBYTEGetFuncCallStack（intnLevel/*=0*/,char*pBuf/*=NULL*/,PEXCEPTION_POINTERSpException/*=NULL*/）
{
typedefstructSTACK
{
STACK*Ebp;
PBYTERet_Addr;
DWORDParam[0];
}STACK,*PSTACK;
STACKStack={0,0};
PSTACKEbp;
intnPos=0;
if（pException）//fakeframeforexceptionaddress
{
Stack.Ebp=（PSTACK）pException->ContextRecord->Ebp;
Stack.Ret_Addr=（PBYTE）pException->ExceptionRecord->ExceptionAddress;
Ebp=&Stack;
}
else
Ebp=（PSTACK）&nLevel-1;//frameaddrofDumpFuncAddress（）
if（pBuf）
*pBuf=0;
boolbData=false;
//Breaktraceonwrongstackframe.
for（intRet_Addr_I=0;Ret_Addr_I<=nLevel;）
{
if（!
IsBadReadPtr（Ebp,sizeof（PSTACK））&&!
IsBadCodePtr（FARPROC（Ebp->Ret_Addr）））
{
if（pBuf）
{
sprintf（pBuf+nPos,"%p:
%i",Ebp->Ret_Addr,Ret_Addr_I）;
//nPos+=9;
nPos+=11;
bData=true;
}
if（Ret_Addr_I==nLevel）
returnpBuf?
（PBYTE）pBuf:
Ebp->Ret_Addr;
Ret_Addr_I++;
Ebp=Ebp->Ebp;
}
else
break;
}
if（bData）
returnpBuf?
（PBYTE）pBuf:
Ebp->Ret_Addr;
return0;
}
Voidtrans_func（unsignedintu,EXCEPTION_POINTERS*pExp）
{
throw*pExp;
}
Voidinitialize_seh_trans_to_ce（）
{
_set_se_translator（trans_func）;
}
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