观察运行时堆栈【原创】

原创，装载请标明引用地址，欢迎拍砖

      

1. 背景：

       嘉龙在bprofile函数级别性能测试中抱怨：没有针对每个函数消耗cpu时间的统计。于是据此我做了一点研究：
       (1)    bprofile实际上是取N个时间点进行抽样统计，如果第i个时间点运行时栈中有本函数，则认为函数被调用一次。因此，bprofile报告中虽然说是“函数调用次数”，但实际上是“函数占用cpu时间”
       (2)    运行时监控某进程的问题：
       如果不在编译时对源代码做静态分析，而是在程序已经跑起来一会运行时对其监控，需要考虑哪些问题呢？
       A.    如何获取进程中用到的变量和函数：
       通过分析进程的“符号表”（变量和函数的符号名），且需要仔细研究“名称修饰”，恢复符号在源代码的原本定义；
       B.    如何在运行时追踪某“函数被调用”的情况呢：
              B.1 需要观察“运行时栈”，当函数A调用函数B时，参数以及A函数地址会被压栈，因此如果可以知道“运行时栈”中返回地址在哪儿，可以反查“符号表”，知道A函数被调用了。但是如何知道函数B正在被调用呢？
              B.2 通常只能用gdb启动进程，然后观察运行时的“运行时栈”情况，但如果进程已经起来了（并且不是用gdb起来的），需要解决：如何从外部获取一个进程虚拟地址空间的信息？就我的知识，答案是：不能！回过头来想，bprofile对程序进行函数级别性能测试也需要用cpuprofile.sh去启动的，而不是等程序已经启动起来了，再去统计$cpuprof.sh -r ./bin/crsui
       结论：
       ——如果进程已经启动（不是用我们编写的性能测试工具启动的），此时无论如何也不能对其进行函数级别性能测试——因为无法获取该进程虚拟地址空间的信息
但很不幸，后来找到一个工具gstack可以观察运行时栈(gstack pid)，但还不清楚其原理

       ——理论上，可以反编译可执行文件(ELF)，对汇编代码进行插桩（函数调用入口和出口统计调用时间，累加到hash表），统计每个函数的调用时间；汇编代码中，函数调用采用的是相对地址/绝对地址（长jmp/短jmp），而非函数名，但或许可以从符号表中反查出其函数名(binutils里面工具c++filt)。

2. C/C++中运行时堆栈分析

 

    gdb : 常规方法，使用gdb进行调试，然后观察“运行时栈”信息

 

    gstack : 但如果一个进程已经启动，再要观察他的“运行时栈”信息，可以用gstack pid。举例：

写一个小程序，涉及“运行时栈”信息，如下test.cpp

#include<iostream>
using namespace std;

void fun(int i){
    cout<<"fun("<<i<<")"<<endl;
    sleep(2);
}

int main(){
    int i=2;
    while(true){
        fun(i++);
        sleep(2);
    }
}

 编译并后台运行

g++ -o test test.cpp
nohup ./test & 

通过gstack pid可以观察到如下信息

[[e-mail] stack_trace]$ gstack 11583
#0  0x000000302af8f172 in __nanosleep_nocancel () from /lib64/tls/libc.so.6
#1  0x000000302af8f010 in sleep () from /lib64/tls/libc.so.6
#2  0x0000000000400a9d in main ()
[[e-mail] stack_trace]$ gstack 11583
#0  0x000000302af8f172 in __nanosleep_nocancel () from /lib64/tls/libc.so.6
#1  0x000000302af8f010 in sleep () from /lib64/tls/libc.so.6
#2  0x0000000000400a71 in fun(int) ()
#3  0x0000000000400a93 in main ()

 

通过在源代码中打印出运行时栈的方法，但需要保证<exeinfo.h>（今天时间太紧，没空深究），否则报错：

[[e-mail] stack_trace]$ g++ -o backtrace backtrace.cpp 
backtrace.cpp:12:21: exeinfo.h: No such file or directory
backtrace.cpp: In function `void stack_info()':
backtrace.cpp:22: error: `backtrace' was not declared in this scope
backtrace.cpp:25: error: `backtrace_symbols' was not declared in this scope
backtrace.cpp:26: error: expected `;' before "for"
backtrace.cpp:26: error: `i' was not declared in this scope
backtrace.cpp:26: error: expected `;' before ')' token
backtrace.cpp: In function `void fun4(int)':
backtrace.cpp:34: error: `show_stack_info' was not declared in this scope

 源码如下：

/**
 * @file backtrace.cpp
 * @author work([e-mail])
 * @date 2013/08/10 13:36:29
 * @version 1.0 
 * @brief 
 * int backtrace(void **buffer, int size);
 * char **backtrace_symbols(void* const* buffer, int size);
 * void backtrace_symbols_fd(void* const* buffer, int size, int fd); 
 **/

#include <exeinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAX_LEN 256
void stack_info(){
    void* buffer[MAX_LEN];
    int method_num;
    char **stack_frames;
    
    method_num = backtrace(buffer, MAX_LEN);
    printf("%d method(s) returned", method_num);
    
    stack_frames = backtrace_symbols(buffer, method_num)
    for(int i=0; i<method_num; i++){
        printf("%s\n",stack_frames[i]);
    }
    free(stack_frames);
}

void fun4(int a){
    if(a>0) fun4(--a);
    else show_stack_info();
}

static void fun3(int a){
    fun4(--a);
}
void fun2(int a){
    fun3(--a);
}
void fun1(int a){
    fun2(--a);
}

int main(){
    fun1(10);
    return 0;
}

 

 

3. Java中运行时堆栈分析

public class StackTrace {
	static void printStackTrace() {
		Throwable th = new Throwable();
		/*
		 * An element in a stack trace, as returned by
		 * Throwable.getStackTrace(). Each element represents a single stack
		 * frame. All stack frames except for the one at the top of the stack
		 * represent a method invocation. The frame at the top of the stack
		 * represents the execution point at which the stack trace was
		 * generated. Typically, this is the point at which the throwable
		 * corresponding to the stack trace was created.
		 */
		StackTraceElement[] eles = th.getStackTrace();

		if (eles != null) {
			for (int i = 0; i < eles.length; i++) {
				System.out.println(eles[i]);

				// System.out.println("File name: " + eles[i].getFileName()
				// + ", Line number: " + eles[i].getLineNumber()
				// + ", Class name: " + eles[i].getClassName()
				// + ", Method name: " + eles[i].getMethodName());
			}
		}
	}

	static int inner() {
		printStackTrace();
		System.out.println("inner");
		return 2;
	}

	static void outer(double d) {
		System.out.println("outer: " + inner());
	}

	public static void main(String[] args) {
		outer(3.3);
	}

}