引言
每个在Linux环境下工作的程序员，都遇到过段错误（segmentation fault）。所谓段错误，本质上是程序访问了非法内存地址而引起的一种错误类型。
导致程序访问非法地址的原因有很多，如野指针、内存被踩、栈溢出、访问没有权限的内存等。
之前更新调试专题文章时，有朋友问到段错误的调试方法，我承诺会更新文章专门介绍，本文就是来填这个坑的。
本文将介绍9种非常实用的段错误调试方法。
1. 日志
日志是一种非常实用的调试手段，我们可以从系统日志中获得很多非常有用的信息，从而反推问题出现的前后系统中究竟发生了什么异常状况。
printf可能是最简单的日志记录方法，大家都懂的，不再赘述。
2. GDB
GDB的强大无需多言，对于段错误，利用GDB很容易就能定位到触发问题的那一行代码。如下图示例代码：
编译时加上-g选项：
<code>gcc -g segfault.c -o segfault/<code>
在GDB中运行程序：
段错误触发时，GDB会直接告诉我们问题出现在哪一行代码，并且可以利用backtrace命令查看完整调用栈信息。此外，还可以利用其他常规调试命令来查看参数、变量、内存等数据。
这种方式虽然非常有效，但很多时候，问题并不是100%必现的，我们不可能一直把程序运行在GDB中，这对程序的执行性能等会有很大的影响。
这时，我们可以让程序在异常终止时生成core dump文件，然后用调试工具对它进行离线调试。
3. Core Dump + GDB
Core dump是Linux提供的一种非常实用的程序调试手段，在程序异常终止时，Linux会把程序的上下文信息记录在一个core文件中，然后可以利用GDB等调试工具对core文件进行离线调试。
很多系统中，根据默认配置，程序异常退出时不会产生core dump文件。可以通过下面这条命令查看：
<code>ulimit -c/<code>
如果值是0，则默认不会产生core dump文件。可以用下面命令设置生成core dump文件的大小：
<code>ulimit -c 10240/<code>
上面命令把core dump文件大小设置为10MB。如果存储空间不受限的话，可以直接取消大小限制：
<code>ulimit -c unlimited/<code>
设置core dump文件大小
然后重新运行示例程序，段错误触发后，默认会在当前目录下生产一个core文件：
然后用GDB加载调试core文件。调试时，除了core dump文件外，GDB还需要从可执行文件中加载调试信息。
<code>gdb segfault core/<code>
结果如下图：
GDB调试core dump
与直接在GDB运行程序类似，core dump文件加载起来之后，GDB会直接显示触发问题的那一行代码，也可以使用backtrace、print等常规命令从core dump文件中获取信息。
在大多数系统中，这种core dump + GDB的手段非常有效，而且应该优先考虑使用。
但是有时候，由于某种原因，系统可能无法生存core dump文件。比如出于安全考虑，core dump功能可能是被彻底禁止的，或者在一些存储空间受限的嵌入式系统中，也无法生成core dump文件。
此时，我们就不得不考虑其它的调试手段了。
4. signal capture + backtrace
4.1 段错误在Linux系统上的处理过程
在Linux系统中，程序访问非法地址时，会被CPU捕获后触发硬件异常处理机制，并通知Linux kernel程序运行出现异常，kernel会对各种异常进行区分，然后向应用程序发送不同的signal，由应用程序自己进行故障恢复处理。
对于访问非法地址引起的段错误，Linux kernel会向应用程序发送11号signal，也就是SIGSEGV信号，该信号的默认处理是终止程序运行。
我们可以注册一个信号处理函数，当接受到Linux kernel发送过来的SIGSEGV信号后，在信号处理函数中把当前程序的上下文信息记录下来，方面后续问题定位。
4.2 两个有用的函数
<code>int backtrace(void **buffer, int size); void backtrace_symbols_fd(void *const *buffer, int size, int fd);/<code>
backtrace获取程序的调用栈地址信息，并存储在buffer指定的一个数组中，数组大小为size。
backtrace_symbols_fd根据backtrace得到的调用栈地址数据，获取地址对应的符号信息，并把结果写到fd指定的文件中。
4.3 示例
对上面的示例做下修改，增加一个信号处理函数，如下图所示：
信号处理函数
在信号处理函数signal_handler中，先把寄存器信息打印出来，然后用backtrace和backtrace_symbols_fd获取调用栈信息，并写入stdout。
然后，在main函数中注册SIGSEGV的信号处理函数，如下图：
注册信号处理函数
编译一下：
<code>gcc -rdynamic segfault.c -o segfault/<code>
看下运行结果：
运行结果
为了方便演示，示例中的信号处理函数只记录了寄存器和调用栈信息，实际项目中根据需求，可以同时记录其它重要信息，如stack dump、全局变量、数据段dump等。
有两点需要注意：
- 示例信号处理函数中打印寄存器的部分是针对x64 CPU的，其它CPU请参考sys/ucontext.h文件中对mcontext_t的定义。
- 编译时需要加上-rdynamic选项，否则backtrace_symbols_fd无法正确获取符号信息。
5. signal capture + GDB
有些问题很难重现，直接在GDB里运行调试的话，可能要浪费很多时间去不停的尝试重现它。
那有没有一种方式，可以让问题重现时自动启动GDB呢？当然有！
与上面的一种方法类似，我们仍然利用signal capture的方式。只不过，在信号处理函数中，我们不再使用backtrace获取调用栈信息，而是直接启动GDB：
对信号处理函数作一些修改，如下图：
原理很简单，就是段错误发生时，在SIGSEGV信号处理函数中执行命令：
<code>gdb --pid=xxx -ex bt -q/<code>
启动GDB，并attach到当前进程，然后执行backtrace命令打印调用栈信息。-q选项只是让GDB启动时不要打印版本信息，避免视觉干扰。
编译一下，需要加上-g选项：
<code>gcc -g siggdb.c -o siggdb/<code>
运行，结果如下图：
注意：这种方法只能在测试环境中使用，且要确保GDB可以正常使用。生产环境中不要使用！
6. libSegFault.so
除了上面提到的几种方式外，其实glibc也已经很贴心地提供了一种问题定位的方案：libSegFault.so
libSegFault.so是glibc提供的一个动态链接库，用于捕捉程序运行异常并记录调用栈等调试信息。
它的实现原理和上面提到的第4种方法是一样的，即通过signal capture的方式，程序发生异常时，在信号处理函数中记录调试信息。
使用时，先确定系统中是否存在这个动态链接库。在我的系统中，有这么几个：
根据自己的实际情况，选择一个使用。比如我的测试环境是x64的，我选择使用：
<code>/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libSegFault.so/<code>
然后利用环境变量LD_PRELOAD，在测试程序运行前，把libSegFault.so链接进来。
<code>LD_PRELOAD=/usr/lib/debug/lib/x86_64-linux-gnu/libSegFault.so ./myapp/<code>
仍以本文第一个测试程序为例：
编译：
<code>gcc -rdynamic segfault.c -o segfault/<code>
运行：
<code>LD_PRELOAD=/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libSegFault.so ./segfault/<code>
测试程序触发段错误后，libSegFault.so中的信号处理函数会把寄存器、调用栈、内存映射全部dump出来。结果如下图(信息太多，分成了两张图片)：
libSegFault.so运行结果
libSegFault.so运行结果(续)
libSegFault.so默认只捕捉SIGSEGV，可以通过设置环境变量SEGFAULT_SIGNALS指定要捕捉的信号，如：
<code>export SEGFAULT_SIGNALS="all" # "all" signals export SEGFAULT_SIGNALS="segv bus abrt " #SIGSEGV, SIGBUS and SIGABRT/<code>
环境变量SEGFAULT_USE_ALTSTACK可以指定是否让信号处理函数使用独立的栈，这在程序发送栈溢出时会很有用。
<code>export SEGFAULT_USE_ALTSTACK=1/<code>
libSegFault.so默认把调试信息输出到stderr，可以通过设置环境变量SEGFAULT_OUTPUT_NAME，指定调试信息记录到一个文件中。比如：
<code>export SEGFAULT_OUTPUT_NAME="./debug.log"/<code>
此外，为了方便用户使用，很多系统中还提供了一个名为catchsegv的脚本：
<code>catchsegv ./segfault/<code>
其效果与通过LD_PRELOAD加载libSegFault.so是相同的：
7. Valgrind
Valgrind是一个很强大的工具集，它可以检测内存泄露、栈溢出、非法内存访问等多种内存相关的错误，还可以对程序进行性能剖析、生成函数调用关系图、统计Cache命中率、监测多线程竞争等，是程序调试的利器。
Valgrind功能非常强大，但文章篇幅有限，不对其展开讨论，后续会更新文章专门讲解它的各种功能，感兴趣的朋友可以右上角关注一下。
下面演示用Valgrind检测示例程序的内存访问错误：
编译时加上-g选项：
<code>gcc -g segfault.c -o segfault/<code>
然后用Valgrind启动示例程序：
<code>valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes -v --leak-check=full --show-reachable=yes ./segfault/<code>
显示数据较多，仅截取感兴趣的部分信息，如下图所示：
Valgrind成功检测出地址0x12345678既不是栈地址，也不是malloc分配的动态内存。并且它也会把调用栈信息dump出来。
Valgrind虽然在检测内存相关的错误时非常强大，但是它有一个致命的缺点，就是慢。据统计，通过Valgrind运行程序时，速度会降低10倍。这在调试大型项目时，尤其是对实时性非常敏感的程序，是无法接受的。
不过，我们还有一个更好的选择 — AddressSanitizer。
8. AddressSanitizer
AddressSanitizer最初是Google开发的一个检测多种内存相关问题的工具，AddressSanitizer现在已经集成到GCC和LLVM中。它最大的特点是：
- 功能强大。它可以检测内存泄露、访问越界、栈溢出、多次释放等各种内存问题。
- 快。使用AddressSanitizer检测内存问题时，原始程序运行速度只会降低2倍左右，相比Vagrind来说，运行效率有了很大的提升。
本文只简单演示用AddressSanitizer检测示例程序中的内存访问错误，后续会专门更新文章详细讲解它的各种功能，感兴趣的朋友可以关注一下。
AddressSanitizer的使用方法也非常简单，只需要在编译时加上相应的编译选项，然后正常运行程序即可。
这里，我只使用最简单的一个编译选项-fsanitize=address开启AddressSanitizer功能。
<code>gcc -g -fsanitize=address segfault.c -o segfault/<code>
然后正常运行即可，截图如下图：
9. dmesg + objdump
有时，可能由于各种原因，以上几种方法都不适用，比如程序中无法添加调试信息、程序无法重新编译、没有GDB和Valgrind等调试工具等。
这种情况下，调试起来，会相对比较困难一些，但也并不是完全不可能。
大多数情况下，程序发生segmentation fault而异常退出时，会在系统日志中记录一些信息，可以用dmesg查看：
可以从中得到触发异常的指令地址和被访问的内存地址，然后利用系统中现有的一些工具进行调试，如利用objdump对可执行文件进行反汇编，然后从汇编代码入手进行分析，限于篇幅，不再展开讨论。
Linux下有很多非常有用的工具，如binutils工具集(objdump、nm、readelf等)、strace等，熟悉并善用这些工具，会事半功倍。
结语
本文简单介绍了段错误的常用的9种调试方式，其中很多方法都是值得深入探讨的。
比如signal capture、Valgrind、AddressSanitizer、GDB等，都有很多更为高阶的使用技巧，但限于篇幅，无法展开讲解，后续会更新相关文章进一步深入讲解。
除了文中介绍的9中方法外，还有其它一些相似或衍生的方法，文中并未提及，欢迎童鞋们留言补充，相互学习！
本文是程序调试系列专题的第六篇。本系列专题旨在介绍一些高阶调试技巧、调试器的工作原理以及常见问题的定位方法和思路等内容。
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