Walking the callstack

本文介绍了一个名为 StackWalker 的类库,它可以帮助开发者轻松获取和显示当前线程或其他线程的 CallStack 信息,并提供了丰富的定制选项。

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Walking the callstack

作者:Jochen Kalmbach

翻译:Hefe

原文出处:www.codeproject.com

关键字:callstack, StackWalker

简介

有些情况下,我们需要显示当前线程的callstack,或是显示其他我们感兴趣的进程或线程的callstack,为此,我专门写了这篇文章阐述如何获得callstack

我写这篇文章的主要目的如下:

1, 提供一些简单的接口来生成callstack

2, 基于CPP的特性提供一些方法来用于重载

3, 隐藏具体API的实现

4, Callstack信息默认输出在debug模式窗口(可以自己定制输出方式)

5, 支持用户提供的内存只读函数

6, 编译器支持VC5-VC8

7, 提供最便利的callstack生成方案

背景

目前MS已经提供API(StackWalker64)用来遍历callstack。从win9x/w2k开始,这个接口就被包含在dbghelp.dll的库中(NT上,取而代之的是imagehelp.dll),只是这个接口(StackWalk64)w2k之后被改名字了,在w2k之前叫StackWalk,没有尾巴的64。这个工程只支持最新的Xxx64接口,如果你想在比较旧的平台上运行,你可以去下载支持相关的平台dll

最新版本的dbghelp.dll可以和windbg一起下载(译者注:windbgMS发布的一款调试工具,当你下载并安装的时候,相应的安装目录下会有dbghelp.dll文件)。同时也包含了symsrv.dll文件,这个文件主要用来激活MS的公共符号服务(这个服务主要用来获取系统文件的调试信息)

如何使用代码

StackWalker这个类的使用非常简单。比如:如果你想获得当前线程的callstack,你只需要初始化一个StackWalk的实例,然后调用ShowCallStack即可。(译者注:一般我们需要继承StackWalker这个类,然后声明并初始化这个子类的实例)。

代码演示1

#include <windows.h>
#include "StackWalker.h"
 
void Func5() { StackWalker sw; sw.ShowCallstack(); }
void Func4() { Func5(); }
void Func3() { Func4(); }
void Func2() { Func3(); }
void Func1() { Func2(); }
 
int main()
{
  Func1();
  return 0;
}

debug-output窗口生成相应的输出如下:

[...] (output stripped)
d:/privat/Articles/stackwalker/stackwalker.cpp (736): StackWalker::ShowCallstack
d:/privat/Articles/stackwalker/main.cpp (4): Func5
d:/privat/Articles/stackwalker/main.cpp (5): Func4
d:/privat/Articles/stackwalker/main.cpp (6): Func3
d:/privat/Articles/stackwalker/main.cpp (7): Func2
d:/privat/Articles/stackwalker/main.cpp (8): Func1
d:/privat/Articles/stackwalker/main.cpp (13): main
f:/vs70builds/3077/vc/crtbld/crt/src/crt0.c (259): mainCRTStartup
77E614C7 (kernel32): (filename not available): _BaseProcessStart@4

你现在可以双击任意一行,VS会自动的跳转到你想到的文件并定位到具体行。

定制你自己的输出结构

如果你想直接把callstack输出到文件或是使用其他的输出结构(译者注:比如英雄岛项目中就是ITrace*),你只需要继承StackWalker类即可。你有两种选择来实现自己的输出结构:1,重写OnOutput方法。2,重写所有的OnXXX函数。当然从OO的思想来说,第一种方法是推荐的,符合KISS的原则。

演示代码2
class MyStackWalker : public StackWalker
{
public:
  MyStackWalker() : StackWalker() {}
protected:
  virtual void OnOutput(LPCSTR szText)
     { printf(szText); StackWalker::OnOutput(szText); }
};
<think>好的,用户现在想了解Call Stack,也就是调用堆栈。我之前已经帮他解答了关于PC出栈后的值的问题,现在需要继续解释调用堆栈的概念和用途。 首先,我需要确定用户可能的使用场景。用户可能在Keil调试环境中遇到问题,或者在编程时遇到函数调用相关的问题,比如程序崩溃或逻辑错误。他们可能想通过调用堆栈来追踪函数的调用顺序,找出问题所在。 接下来,用户的身份可能是嵌入式开发者,尤其是使用ARM Cortex-M系列处理器的开发者,因为他们提到了Keil调试环境。这类开发者通常需要处理底层代码,对内存和堆栈操作比较敏感,所以需要理解调用堆栈的结构和调试方法。 用户的需求不仅仅是了解Call Stack的定义,更想知道如何在调试中使用它,以及相关的注意事项。可能需要具体的操作步骤和常见问题解决方法。此外,用户可能对调用堆栈的工作原理和实际应用场景感兴趣。 我需要确保回答结构清晰,分步骤解释,结合Keil的具体操作,并给出实际例子。还要注意之前提到的格式要求,比如行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,但这里可能更多涉及代码和调试步骤,所以需要正确使用代码块和表格。 需要覆盖以下几个方面: 1. Call Stack的核心作用,比如记录函数调用链、定位崩溃点等。 2. 在Keil中的查看方法,具体菜单路径和窗口说明。 3. 工作原理,包括栈帧的结构和寄存器的作用。 4. 实际应用场景,比如调试崩溃、性能分析等。 5. 常见问题及解决方法,比如栈溢出、优化影响等。 6. 高级技巧,比如结合内存窗口和断点设置。 还要考虑用户可能的深层需求,比如如何防止栈溢出,或者如何优化堆栈使用。需要给出实用建议,比如计算栈空间、使用调试工具监控等。 最后,确保语言简洁,步骤明确,符合用户之前接受的详细技术风格,并保持中文回答的流畅性。</think>--- ### **一、Call Stack(调用堆栈)的核心作用** **Call Stack** 是调试过程中**追踪函数调用关系**的核心工具,本质是一个记录函数调用链的**栈结构**。其核心价值体现在: 1. **逆向追踪**:显示**当前执行位置**是如何通过多层函数调用到达的(例如 `main() → funcA() → funcB()`) 2. **崩溃定位**:当程序崩溃(如HardFault)时,直接显示崩溃前的函数调用路径 3. **上下文分析**:查看每一层函数的**局部变量、参数、返回地址**等关键信息 --- ### **二、在Keil中的查看方法** #### **1. 基础操作** - **开启窗口**:菜单栏 `View → Call Stack Window` ![Call Stack窗口示意图](https://i.imgur.com/9RzK7lE.png) - **典型显示格式**: ```plaintext funcB() Line 123 (0x08001234) ; 当前执行位置 funcA() Line 45 (0x08001111) ; 调用funcB的父函数 main() Line 10 (0x08001000) ; 程序入口 ``` #### **2. 关键信息解读** | 列名 | 含义 | |------------|----------------------------------------------------------------------| | **Function** | 函数名(若调试信息完整)或地址(若未加载符号表) | | **File** | 源文件路径(需确保工程包含调试符号) | | **Line** | 当前执行点在函数中的行号 | | **Address** | 代码在内存中的实际地址(用于反汇编比对) | --- ### **三、工作原理** #### **1. 栈帧(Stack Frame)结构** 每次函数调用时,会在堆栈中压入一个**栈帧**,典型包含: ```plaintext |-------------------| | 参数n | 高地址 | ... | | 参数1 | | 返回地址 (PC) | ← 关键!Call Stack通过此地址回溯调用链 | 保存的寄存器 | | 局部变量 | 低地址 |-------------------| ``` - **ARM Cortex-M** 在异常/中断时会**自动保存8个寄存器**到栈中(包括`PC`和`xPSR`) #### **2. 寄存器关联** - **LR (R14)**:保存返回地址(但发生嵌套调用时会被覆盖) - **FP (R7)**:帧指针(需编译器启用`-fomit-frame-pointer`选项后有效) --- ### **四、实际应用场景** #### **场景1:调试HardFault** 1. 触发崩溃后,立即观察Call Stack: ```plaintext HardFault_Handler() Line 0 (0x08003333) funcB() Line 456 (0x08001234) ← 最后执行的用户代码 ``` 2. 跳转到`funcB()`的代码行,检查**局部变量**和**指针操作** #### **场景2:分析死循环** - 中断程序,查看Call Stack是否卡在某个函数层级: ```plaintext while(1) Line 78 (0x08002222) sensor_read() Line 56 (0x08001111) ``` #### **场景3:性能优化** - 通过**多次采样中断**观察Call Stack,统计高频出现的函数调用链 --- ### **五、常见问题排查表** | 现象 | 原因分析 | 解决方案 | |---------------------------|---------------------------|-----------------------------------| | Call Stack显示`<invalid>` | 1. 栈数据被破坏<br>2. 未加载符号表 | 1. 检查堆溢出<br>2. 重新生成ELF文件 | | 函数名缺失 | 编译时未生成调试信息 | 在Keil选项勾选`Debug Information` | | 调用链不完整 | 编译器优化导致帧指针省略 | 关闭`Optimization`或启用`-fno-omit-frame-pointer` | --- ### **六、高级调试技巧** #### **1. 结合Memory Window** - 手动解析栈帧: 1. 记录当前`SP`值(如`0x20001FF0`) 2. 在Memory Window输入地址,按32位格式查看: ```plaintext 0x20001FF0 0x08001111 ; 返回地址(对应Call Stack中的父函数) 0x20001FF4 0x00000042 ; 保存的R0值 ``` #### **2. 断点联动** - 在Call Stack中**双击某层函数**,可直接跳转到对应代码位置并设置断点 #### **3. 栈使用量分析** - 通过Call Stack层级估算最大栈深度: ```c 最大栈空间 ≈ 每个栈帧大小 × 调用深度 + 中断嵌套需求 ``` - 在启动文件(如`startup_stm32f4xx.s`)中检查`Stack_Size`定义是否充足 --- ### **七、扩展知识:ARM Cortex-M的异常返回** 当从中断返回时,处理器会**自动从堆栈恢复PC和xPSR**,此时Call Stack的变化包括: ```plaintext POP {R0-R3, R12, LR, PC} ; 异常退出时的典型出栈操作 ``` - **PC恢复值** = 异常发生前被打断的指令地址(需检查EXC_RETURN标志) --- ### **操作示意图** ``` [正常函数调用时的Call Stack] main() └─── funcA() └─── funcB() └─── HardFault_Handler() ← 发生崩溃时自动进入 [对应的堆栈布局] SP -> 0x20001FF0: funcB的局部变量 0x20001FF4: 保存的LR(返回funcA) 0x20001FF8: 保存的R7(帧指针) 0x20001FFC: 参数1 ``` 建议在调试时**始终开启Call Stack窗口**,并结合**Disassembly(反汇编)** 窗口验证跳转地址是否合法(例如检查是否为Thumb指令地址,即最低位为1)。
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