自定义Backtrace工具触发Segmentation fault时无栈回溯输出的原因排查

问题背景 #

我编写了backtrace.hpp头文件，用于在程序触发Segmentation fault等崩溃信号时输出调用栈信息，代码如下：

#pragma once
#include <map>
#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/stat.h>
#include <execinfo.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

static const std::map<int, std::string> signals_map =
{
    {SIGSEGV, "SIGSEGV"},
    {SIGABRT, "SIGABRT"},
    {SIGINT, "SIGINT"},
    {SIGFPE, "SIGFPE"},
    {SIGILL, "SIGILL"},
    {SIGSYS, "SIGSYS"},
    {SIGBUS, "SIGBUS"},
    {SIGIOT, "SIGIOT"},
    {SIGTRAP, "SIGTRAP"},
};

class Backtrace
{
private:
    static void ExceptionHandler(int signum, siginfo_t* info, void* ctx){
        int nptrs;
        void *buffer[1024];
        char **strings;

        nptrs = backtrace(buffer, 1024);
        strings = backtrace_symbols(buffer, nptrs);
        if (strings == NULL) {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        std::cout<<std::endl<<"****** Crash Backtrace signal: "<<signals_map.at(signum)<<"******"<<std::endl<<std::endl;
        for (int i = 2; i < nptrs; i++) {
            std::cout<<"     "<<strings[i]<<std::endl;
        }

        free(strings);
        signal(signum, SIG_DFL);
    }
public:
    Backtrace(){
        struct sigaction action;
        sigemptyset(&action.sa_mask);
        action.sa_sigaction = &ExceptionHandler;
        action.sa_flags = SA_SIGINFO;
        for (const auto& signals: signals_map)
        {
            if (0 > sigaction(signals.first, &action, NULL))
            {
                std::cout<<"sigaction failed:"<<signals.second<<std::endl;
            }
        }
    }
    ~Backtrace(){}
};

我在代码中按如下方式使用该工具：

#include "backtrace.hpp"
int main(){
    Backtrace b;
    ...
}

该工具多数情况下能正常输出栈回溯，但偶尔仅显示shell的崩溃提示：

$ /bin/sh: line 1:  6571 Segmentation fault

无任何栈回溯内容。请问出现这种情况的原因是什么？

原因分析 #

• 信号处理函数调用了非异步安全函数：ExceptionHandler中使用的std::cout、std::map::at()都属于非异步信号安全的函数。当程序在执行这些函数的内部逻辑（比如持有锁、操作内存结构）时触发崩溃信号，信号处理函数再次调用它们会引发二次崩溃，直接终止进程，来不及输出调用栈。

• 栈结构被严重破坏：如果崩溃是由栈溢出、栈帧被越界写入覆盖导致的，backtrace()无法正确解析栈帧，可能返回0个有效指针，backtrace_symbols会返回NULL，此时信号处理函数直接调用exit()，自然没有任何输出。

• 信号处理流程被提前终止：信号处理函数末尾调用signal(signum, SIG_DFL)后，某些场景下内核可能在输出完成前就触发默认的信号处理动作（终止进程），导致输出流程被中断。

• 标准输出缓冲未及时刷新：std::cout默认是行缓冲模式，极端情况下输出内容还在缓冲区中未刷新到终端，进程就已经终止，缓冲区内容丢失，看起来像是没有输出。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者BigFaceBoy