C++源碼調用圖生成器實現

oysun 發布于2019-07-25 11:27 / 2362人閱讀

摘要：前言之前受知乎用戶啟發，寫了個源碼的調用圖生成器，可以以圖示法顯示函數的調用關系，代碼放在了倉庫里，僅供參考主要思路利用的的注入選項，得到每個函數的調用地址信息，生成一個文件，然后利用和將函數名及其所在源碼位置從地址中解析出來，從而得到

前言

之前受知乎用戶mailto1587啟發，寫了個C++源碼的調用圖生成器，可以以圖示法顯示C++函數的調用關系，
代碼放在了github倉庫里，僅供參考：
CodeSnippet/python/SRCGraphviz/c++ at master · Cheukyin/CodeSnippet · GitHub

主要思路

利用gcc/g++的-finstrument-functions的注入選項，
得到每個函數的調用地址信息，生成一個trace文件，
然后利用addr2line和c++filt將函數名及其所在源碼位置從地址中解析出來，
從而得到程序的Call Stack，
然后用pygraphviz畫出來

使用示例

比如我現在有A.hpp、B.hpp、C.hpp、ABCTest.cpp這幾個文件，
我想看他們的Call Graph

源碼如下：

然后按下面編譯(instrument.c在上面github地址中可以下載，用于注入地址信息）：
g++ -g -finstrument-functions -O0 instrument.c ABCTest.cpp -o test
然后運行程序，得到trace.txt
輸入shell命令./test
最后
輸入shell命令python CallGraph.py trace.txt test
彈出一張Call Graph

圖上標注含義:

綠線表示程序啟動后的第一次調用

紅線表示進入當前上下文的最后一次調用

每一條線表示一次調用，#符號后面的數字是序號，at XXX表示該次調用發生在這個文件（文件路徑在框上方）的第幾行

在圓圈里，XXX:YYY，YYY是調用的函數名，XXX表示這個函數是在該文件的第幾行被定義的

獲取C/C++調用關系

利用-finstrument-functions編譯選項，
可以讓編譯器在每個函數的開頭和結尾注入__cyg_profile_func_enter和 __cyg_profile_func_exit
這兩個函數的實現由用戶定義

在本例中，只用到__cyg_profile_func_enter，定義在instrument.c中，
其函數原型如下:
void __cyg_profile_func_enter (void *this_fn, void *call_site);
其中this_fn為被調用的地址，call_site為調用方的地址

顯然，假如我們把所有的調用方和被調用方的地址都打印出來，
就可以得到一張完整的運行時Call Graph

因此，我們的instrument.c實現如下：

/* Function prototypes with attributes */
void main_constructor( void )
    __attribute__ ((no_instrument_function, constructor));

void main_destructor( void )
    __attribute__ ((no_instrument_function, destructor));

void __cyg_profile_func_enter( void *, void * )
    __attribute__ ((no_instrument_function));

void __cyg_profile_func_exit( void *, void * )
    __attribute__ ((no_instrument_function));

static FILE *fp;

void main_constructor( void )
{
  fp = fopen( "trace.txt", "w" );
  if (fp == NULL) exit(-1);
}

void main_deconstructor( void )
{
  fclose( fp );
}

void __cyg_profile_func_enter( void *this_fn, void *call_site )
{
    /* fprintf(fp, "E %p %p
", (int *)this_fn, (int *)call_site); */
    fprintf(fp, "%p %p
", (int *)this_fn, (int *)call_site);
}

其中main_constructor在調用main 前執行，main_deconstructor在調用main后執行，
以上幾個函數的作用就是將所有的調用方和被調用方的地址寫入trace.txt中

然而，現在有一個問題，就是trace.txt中保存的是地址，我們如何將地址翻譯成源碼中的符號？
答案就是用addr2line

以上面ABCTest.cpp工程為例，比如我們現在有地址0x400974，輸入以下命令
addr2line 0x400aa4 -e a.out -f
結果為

_ZN1A4AOneEv
/home/cheukyin/PersonalProjects/CodeSnippet/python/SRCGraphviz/c++/A.hpp:11

第一行該地址所在的函數名，第二行為函數所在的源碼位置

然而，你一定會問，_ZN1A4AOneEv是什么鬼？
為實現重載、命名空間等功能，因此C++有name mangling，因此函數名是不可讀的

我們需要利用c++filt作進一步解析：
輸入shell命令 addr2line 0x400aa4 -e a.out -f | c++filt
結果是不是就清晰很多：

A::AOne()
/home/cheukyin/PersonalProjects/CodeSnippet/python/SRCGraphviz/c++/A.hpp:11

注意這個結果中包含了函數名、函數所在文件和行號

調用圖渲染

經過上面的步驟，我們已經可以把所有的(調用方, 被調用方)對分析出來了，相當于獲取到調用圖所有的節點和邊，
最后可以用pygraphviz將每一條調用關系畫出來即可，代碼用python實現在 CallGraph.py 中

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