linux内核中打印栈回溯信息 - dump_stack()函数分析

简介

当内核出现比较严重的错误时，例如发生Oops错误或者内核认为系统运行状态异常，内核就会打印出当前进程的栈回溯信息，其中包含当前执行代码的位置以及相邻的指令、产生错误的原因、关键寄存器的值以及函数调用关系等信息，这些信息对于调试内核错误非常有用。

打印函数调用关系的函数就是dump_stack()，该函数不仅可以用在系统出问题的时候，我们在调试内核的时候，可以通过dump_stack()函数的打印信息更方便的了解内核代码执行流程。
dump_stack()函数的实现和系统结构紧密相关，本文介绍ARM体系中dump_stack()函数的实现。该函数定义在arch/arm/kernel/traps.c文件中，调用dump_stack()函数不需要添加头文件，基本上在内核代码任何地方都可以直接使用该函数。

相关基本知识

读者需要了解一些ARM汇编的基本知识。在讲代码之前，我先简单说说内核中函数调用的一般过程。

关键寄存器介绍：

内核中的函数栈

内核中，一个函数的代码最开始的指令都是如下形式:

            mov   ip, sp
            stmfd sp!, {r0 - r3} (可选的)
            stmfd sp!, {
  ..., fp, ip, lr, pc}
            ……

从其中两条stmfd（压栈）指令可以看出，一个函数的函数栈的栈底（高地址）的结构基本是固定的，如下图：

首先我们约定被调用的函数称为callee函数，而调用者函数称为caller函数。
在进行函数调用的回溯时，内核中的dump_stack()函数需要做以下尝试：

1. 首先读取系统中的FP寄存器的值，我们知道帧指针是指向函数栈的某个位置的，所以通过FP的值可以直接找到当前函数的函数栈的地址。
2. 得到当前函数的代码段地址，这个很容易，因为当前正在执行的代码（可通过PC寄存器获得）就处在函数的代码段中。在函数栈中保存了一个PC寄存器的备份，通过这个PC寄存器的值可以定位到函数的第一条指令，即函数的入口地址。
3. 得到当前函数的入口地址后，内核中保存了所有函数地址和函数名的对应关系，所以可以打印出函数名（详见另一篇博客：内核符号表的查找过程）。
4. 在当前函数的函数栈中还保存了caller函数的帧指针（FP寄存器的值），所以我们就可以找到caller函数的函数栈的位置。
5. 继续执行2-4步，直到某个函数的函数栈中保存的帧指针（FP寄存器的值）为0或非法。
   发生函数调用时，函数栈和代码段的关系如下图所示：