用 GDB 调试动态链接库

Nov 9, 2020 2 min read Dynamic LinkageGDB

前言

写本文的目的是为了记录一个【基于 GDB 对动态链接库（DSO1）的错误进行调试】的过程，重要的内容包括：

  • 获取进程发生错误时的状态；
  • 查看进程在该状态下的内存分布；
  • 在 GDB 中用正确地址加载符号表，以恢复函数调用堆栈。

本文主要参考了 Ubuntu Wiki 上的这篇博文 。按照其版权及许可证要求，本文采用 Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 进行许可。

Hybris 简介

Libhybris 是一种关于 libc 库兼容问题的解决方案，让我们在基于 GNU C Library （Glibc）的系统上2可以运行用 Bionic 编译的库（主要是 Android 中的闭源 HAL 库）。以一个 OpenGL ES 的应用为例，如果其要使用 Android 的硬件，调用过程如下：

1应用 -> Glibc -> Hybris -> OpenGL ES (libEGL, libGLESv2) -> Bionic

基于这个架构中，在动态链接时 Android 的动态链接器和 Hybris 都会参与，前者负责加载 Android 侧的库，后者负责建立两端的符号映射。

问题阐述

这个架构有个小问题：当 Android 侧的 DSO 发生了错误使得程序崩溃，基于 Glibc 的 Linux 侧调试工具无法解析和恢复出此时的函数调用栈（因为这些 DSO 是由 Android 的动态链接器加载的，Linux 侧的链接器应该不知道它们的存在）。因此即便我们获取到了程序崩溃时的 coredump，加载到 GDB 中之后，看到的也只是类似下图的结果，对调试没有帮助：

1(gdb) bt full
2#0  0x40aa87e4 in ?? ()
3No symbol table info available.
4#1  0x40bb2fc2 in ?? ()
5No symbol table info available.
6#2  0x40bb2fc2 in ?? ()
7No symbol table info available.
8Backtrace stopped: previous frame identical to this frame (corrupt stack?)

问题分析

然而，顶部的几个栈帧的执行地址还是有的。如果可以获得各个 DSO 在当前进程空间中的分布，我们就可以根据这些地址判断是哪个 DSO 出了问题。再进一步，如果我们有该 DSO 的符号表，那么以某种方式将其加载到 GDB 中后，理论上应该就可以恢复出完整的栈帧信息了。

实际上，上述的这些都是可以做到的。下面就将整个过程完整地记录一下。

调试过程

  1. 在 GDB 中运行程序，复现错误：

    1gdb ./test_XXX
2
3(gdb) r
4Starting program: /tmp/test_XXX 
5Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
60x40aa87e4 in ?? ()

    这里涉及到一个重点：如何获得一个程序出错时的进程空间。一般而言，程序运行一旦崩溃就直接退出了，相应的进程空间随即被清理，也就获取不到了。但是！若是改为在 GDB 中运行，错误信号会被 GDB 捕获，程序的执行会被暂停，进程空间因此得以保留！这是一切得以开展的基础。

  2. 在另一个 Terminal 中查看 test_XXX 进程的 PID：

    1pidof test_XXX
2# or
3ps -ef | grep test_XXX

    根据 PID（假设为 4226）就可以查看进程空间了：

    1cat /proc/4226/maps | grep 'system/lib'

    1...
240a8e000-40ad0000 r-xp 00000000 103:02 231       /data/ubuntu/system/lib/libc.so
340ad0000-40ad3000 rw-p 00042000 103:02 231       /data/ubuntu/system/lib/libc.so
4...
540b66000-40b97000 r-xp 00000000 103:02 313       /data/ubuntu/system/lib/libutils.so
640b97000-40b99000 rw-p 00031000 103:02 313       /data/ubuntu/system/lib/libutils.so
7...

  3. 从顶部的函数栈帧开始，查看当前执行地址（0x40aa87e4）属于哪个 DSO。

    可以看到，0x40aa87e4 落在 0x40a8e000 ~ 0x40ad0000 这个范围内，属于 libc.so 的一个段；另外这个段是可执行的（r-xp），执行地址坐落于此也是合理的。因此我们基本确定了是 libc.so 出了问题。

  4. 计算 DSO 的代码部分在进程空间中的起始位置。

    通过阅读动态链接器的源代码3我们了解到，加载 ELF 至内存的过程经历了以下几个步骤：读取 ELF 文件的 Program Header；计算所有需要加载到内存的段的总大小；在进程空间中腾出一段足够的内存空间；最终通过 mmap 的方式将各个段逐个加载到该空间内。因此，各个段在内存中相对于 DSO 加载首地址的偏移，就是该段在文件内的偏移4。DSO 的加载首地址，就是其在 maps 文件中出现的第一个地址（libc.so 是 0x40a8e000，libutils.so 是 0x40b66000）。那么只要确定代码部分在 DSO 文件中的偏移，就可以在进程空间中定位出代码部分的位置了。

    通过如下命令5：

    1objdump -x /system/lib/libc.so | grep .text
2# or `readelf -S`, with different output format

    并在输出中找到类似这样输出：

    1  6 .text         0002dfe0  0000c140  0000c140  0000c140  2**4

    其中第六列的数值就是我们要找的代码部分在文件中的偏移量。至于为什么是第六列，可以去看 objdump -x 的完整输出。

  5. 计算出正确的地址，将该 DSO 的符号表加载到 GDB 中。

    0x40a8e000 + 0xc140 = 0x40a9a140，我们以这一地址将 libc.so 的符号表加载到 GDB 中：

    1(gdb) add-symbol-file /tmp/libc.so 0x40a9a140
2add symbol table from file "/tmp/libc.so" at
3        .text_addr = 0x40a9a140
4(y or n) y
5Reading symbols from /tmp/libc.so...done.

此时再使用 bt 命令，就能看到关于函数栈帧的详细信息了。如此操作一次，能恢复顶部的一个或几个栈帧。反复操作，直到整个函数调用栈都恢复，或达到自己所需的深度即可。

参考链接

  1. 全称 Dynamic Shared Object，即平时所说的 .so 文件。 ↩︎

  2. 目前主要用于 Ubuntu 系统，其他发行版未知。 ↩︎

  3. 目前仅了解过 Android Bionic 的动态链接器，这部分的主要逻辑在 linker_phdr.cpp 中 ElfReader 类的 Load()、ReserveAddressSpace()和 LoadSegments()等几个成员函数中。 ↩︎

  4. 其实这并不完全准确。Program Header 对各个段的描述里有两个值：p_offset 为该段在文件内偏移，p_vaddr 为该段要被加载到的内存地址。然而，出于内存管理和安全方面的原因，ELF 加载到内存时都是需要重定位的。因此 p_vaddr 实际上是该段在内存中相对 DSO 首地址的偏移，DSO 的加载偏移加上段的 p_vaddr 才是段在内存中的实际地址。所以一个段在内存中和文件里的偏移分别是用两个值表示的，只是在（所有我见过的）实际的 ELF 文件中，p_offset 和 p_vaddr 总是相等。 ↩︎

  5. 这里实际查看的是 ELF 的节（section）而不是段（segment），两者存在着某种对应关系，分别代表了 ELF 的两种不同视图。详情请查阅其他资料，这里不赘述。 ↩︎

【C++ 小问答】4：数值运算中的小类型隐式转换
C++ 中的 Name Mangling

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