很早以前翻译的一篇文章，今天用到，又温习了一下，从博客转过来和大家分享。

作者：Jochen Kalmbach
翻译：Hefe
原文出处：www.codeproject.com
关键字：callstack, StackWalker

一，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

二，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(在NT上，取而代之的是imagehelp.dll)，只是这个接口(StackWalk64)从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：windbg是MS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)。

三，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;
}
在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，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); }
};
获得callstack的具体信息
如果你想获得关于callstack的具体信息（比如已加载的模块，地址信息，以及错误信息），你可以重载下面提供的相应的方法。
演示代码3
class StackWalker
{
protected:
virtual void OnSymInit(LPCSTR szSearchPath, DWORD symOptions, LPCSTR szUserName);
virtual void OnLoadModule(LPCSTR img, LPCSTR mod, DWORD64 baseAddr, DWORD size,
     DWORD result, LPCSTR symType, LPCSTR pdbName, ULONGLONG fileVersion);
virtual void OnCallstackEntry(CallstackEntryType eType, CallstackEntry &entry);
virtual void OnDbgHelpErr(LPCSTR szFuncName, DWORD gle, DWORD64 addr);
};
上述的方法会在callstack的生成过程中被调用。

callstack的各种类别
在StackWalker的构造函数中，如果你想针对具体的进程生成callstack，那你需要传入具体的进程信息作为参数，比如进程ID和进程句柄，请看下面的两个构造函数。
演示代码4
class StackWalker
{
public:
StackWalker(
     int options = OptionsAll,
     LPCSTR szSymPath = NULL,
     DWORD dwProcessId = GetCurrentProcessId(),
     HANDLE hProcess = GetCurrentProcess()
     );
// Just for other processes with
// default-values for options and symPath
StackWalker(
     DWORD dwProcessId,
     HANDLE hProcess
     );
};
真正遍历callstack的方法也就是下面的ShowCallstack()
演示代码5
class StackWalker
{
public:
BOOL ShowCallstack(
     HANDLE hThread = GetCurrentThread(),
     CONTEXT *context = NULL,
     PReadProcessMemoryRoutine readMemoryFunction = NULL,
     LPVOID pUserData = NULL
     );
};

显示一个异常的callstack
利用这个StackWalker你同样可以获得一个异常句柄的callstack。你只需要写一个异常过滤器即可。
演示代码6
// The exception filter function:
LONG WINAPI ExpFilter(EXCEPTION_POINTERS* pExp, DWORD dwExpCode)
{
StackWalker sw;
sw.ShowCallstack(GetCurrentThread(), pExp->ContextRecord);
return EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER;
}

// This is how to catch an exception:
__try
{
// do some ugly stuff...
}
__except (ExpFilter(GetExceptionInformation(), GetExceptionCode()))
{
}

四，本文要点
上下文与callstack
遍历一个线程的callstack，你至少要知道以下两点：
1， 当前线程的上下文context
线程的上下文主要是用来获取当前IP指针(Instruction Pointer指令指针)和SP(Stack Pointer)指针的值，有时候也用来获取FP(Frame Pointer）指针的值。简而言之，SP和FP指针的区别在于：SP指针指向最近一次的堆栈地址，FP主要用来指向当前函数的地址，你可以参考以下的文档来了解更多（Difference Between Stack Pointer and Frame Pointer.）。但是对于CPU来说，只有SP是必不可少的，FP是提供给编译器用的，你可以取消FP的使用开关。
2， Callstack
Callstack其实就是一块内存区域，它包含了调用者的所有的数据内容和地址信息。这些数据内容必须用来获取callstack。最重要的是：在完成stack-walking之前，这些数据内容必须保持不变。这也就是为什么在获取有效callstack的时候，当前线程必须要被挂起的原因。如果你想遍历当前线程的stack，那么你也就不能改变callstack的指针内容，也就是在上下文中声明的寄存器指针内容。

初始化STACKFRAME64结构
为了能利用StackWalk64来成功的遍历callstack，我们必须用有意义的值来初始化STACKFRAME64。在STACKFRAME64的文档中，有一小段要点描述如下：
如果STACKFRAME64的两个成员AddrPC和AddrFrame没有被初始化就作为参数传给StackWalk64的话，那么这个函数在第一次被调用的时候就会失败。

根据这篇文档所述，大多数的程序只需要初始化AddrPC和AddrFrame这两个参数，而且这种方式在dbghelp.dll最新版本v5.6.3.7发布之前一直都是正确的。但是，现在你除了要初始化这两个参数之外，还要初始化AddrStack这个参数。在发现一些麻烦和问题后，我和dbghelp开发小组讨论了一下，并得到了如下的答案（2005-08-02，我的观点是斜体文字）
1， 在所有的平台下，AddrStack都要被设置成指向stack pointer(也就是ESP)。你当然可以公布AddsStack应该被设置，甚至你可以说最新版本的dbghelp必须要求这么做。
2， 现在的dbghelp版本，你应该遵循下面的做法：
a). 请使用StackWalk64
b). 请把参数AddrPC设置成指向当前指令指针，分别是EIP(x86)，Rip(x64),stIIP(IA64)
c). 请把AddrStack设置成指向当前的SP指针，分别是ESP(x86)，RSP(x64),IntSP(IA64)
d). 如果当前的Frame Pointer是有意义的，请把AddrFrame设置成指向当前的Frame Pointer，分别是EBP(x86)，RBP(x64)[作者的斜体字部分：当时在VC2005B2的环境下，该寄存器无法使用，取而代之的是Rdi]，RsBSP(IA64)。StackWalk64会在没有必要的情况忽略这个参数的值。
e). 在IA64的平台下请把AddrStore设置成指向RsBSP。

遍历当前线程的callstack
在x86的系统上(在XP之前)，是没有一个直接的API用来获得当前线程的上下文的。当时提倡的做法是在捕获系统异常中来获得。现在在我们的代码中，我们实现了有效的获取上下文的方法。默认的情况下，我们是通过内联汇编代码来获取EIP,ESP和EBP的值。如果你想使用我刚才提到的捕获异常的方法来实现的话，那你就需要定义一个CURRENT_THREAD_VIA_EXCEPTION这样的宏。但是我们应该意识到，其实GET_CURRENT_CONTEXT也是一个宏，内部也是使用了捕捉异常的原理。我们的函数都必须要能包含这些宏的声明。
从XP开始以及在x64与IA64平台上，目前已经有API来获得当前线程的上下文，就是RtlCaptureContext.。
演示代码7
StackWalker sw;
sw.ShowCallstack();

在同一个进程内遍历其他线程的callstack（略）
遍历另一个进程内的某线程callstack（略）
（译者注：由于时间原因，上述两部分的翻译暂时省略了，内容也比较简单，只是调用了StackWalker的不同构造函数）

重用StackWalk的实例
重用StackWalk的实例是没有任何问题的，只要你想在同一个进程内遍历callstack。如果你重复多次用到callstack的遍历，我强烈你推荐重用一个实例。原因很简单：当你创建一个新的实例的时候，symbol文件就要被重新加载一次，这个是非常耗时的。而且多个StackWalk跨线程工作也是不可靠的，因为dbghelp.dll不是线程安全的。综上，在一个进程中保持只有一个StackWalker实例是最合理的做法。

Symbol的搜索路径
通常情况下，Symbol的搜索路径(SymBuildPath 和 SymUseSymSrv)主要是用来搜索这个文件dbghelp.dll。这个路径通常包含一下目录：
1， szSymPath是否提供是可选择的，如果提供的话，那么SymBuildPath会自动生成。在szSymPath中每个路径之间要用分号“；”来分开。
2， 当前工作目录
3， 可执行文件的目录，如exel
4， _NT_SYMBOL_PATH的环境变量
5， _NT_ALTERNATE_SYMBOL_PATH的环境变量
6， SYSTEMROOT的环境变量
7， SYSTEMROOT\system32的环境变量
8， MS符号服务器SRV*%SYSTEMDRIVE%\websymbols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols

符号服务器
如果你想使用MS的公共信号服务器，你可以选择安装windbg(这样symsrv.dll和最新dbghelp.dll会被自动查询到)，你也可以选择从网络传输中获取这些最新符号，不过推荐前者，这样就不会因为网络故障而出现加载符号失败。

加载程式和符号
为了能成功遍历线程的callstack，dbghelp.dll要获得所有被加载模块的信息。所有你需要通过SymLoadModule64这个API来注册所有被加载的模块，在注册之前，第一步是枚举出所有的模块。
在win9x之后。利用ToolHelp32_API可以实现这个需求，需要用的API有，CreateToolhelp32SnapShot，Module32First和Module32Next。通常情况下这些API包含在kernel32.dll，但是在win9x的系统上，这些API包含在tlhelp32.dll中，所以在代码中要做分支判断。
如果你是在NT4上干活的话，那么使用ToolHelp32-API只是一个梦想。但是你可以使用PSAPI来取而代之。你需要使用到一下API：EnumProcessModules, GetModuleInformation,GetModuleBaseName, GetModuleFileNameEx。
Dbghelp.dll
下面就来随便啰嗦几句dbghelp.dll
1， 首先，在MS，有两个team在负责开发dbghelp.dll，一个是os-team,另一个是debug-team。通常情况下，你会以为windbg提供的dbghelp.dll是最新的版本。但是有个问题就是这两个小组发布的dbghelp.dll的版本是不同的。举个例子来说：xp-sp1的dbghelp.dll版本是5.1.2600.1106（2002-08-29）。但是debug-team发布的6.0.0017.0版本时间却是2002-04-31。（译者注：寒，MS也会犯这种错误）。这样版本的发布就会有冲突，所以很难通过版本好来确定哪个更好，更有效。
2， 从Winme/W2k开始，system32目录下面的dbghelp.dll文件是受保护的。所以如果你想成功遍历callstack,，最好去下载个最新版本的dbghelp.dll放在你的exe目录下面。否则在W2k上会导致一个问题，就是，如果你想遍历一个用VC7+编译的工程就会出错。因为VC7+的编译器生成的PDB格式文件不能被dbghelp.dll识别，这样你就不会得到有效的callstack信息。总之，保险起见，不要使用 OS的dbghelp.dll，去下载最新的dbghelp.dll来使用。（译者注：我在论坛中看到很多人无法正确遍历栈，都是dbghelp.dll的版本较老造成的。）
3， V6.5.3.7版本的dbghelp.dll有个bug，或是说StackWalk64函数的文档发生了变化。文档中描述：
如果STACKFRAME64的两个成员AddrPC和AddrFrame没有被初始化就作为参数传给StackWalk64的话，那么这个函数在第一次被调用的时候就会失败。而且，只有当参数MachineType不是IAMGE_FILE_MACHINE_I386的时候，参数ContectRecord才要求被初始化。
但是这个是错误的。在x86上，当你给ContextRecord传NULL的时候，并不能获得到callstack。以我的观点，这是比较大的文档改动。现在你既可以通过初始话AddrStack，也可以通过包含EIP,EBP,ESP的ContextRecord来成功获取callstack。

Stackwalker的操作开关
你可以按照自己的需求来定义操作开关
演示代码7
typedef enum StackWalkOptions
{
    // No addition info will be retrived
    // (only the address is available)
    RetrieveNone = 0,
    // Try to get the symbol-name
    RetrieveSymbol = 1,
    // Try to get the line for this symbol
    RetrieveLine = 2,
    // Try to retrieve the module-infos
    RetrieveModuleInfo = 4,
    // Also retrieve the version for the DLL/EXE
    RetrieveFileVersion = 8,
    // Contains all the abouve
    RetrieveVerbose = 0xF,
    // Generate a "good" symbol-search-path
    SymBuildPath = 0x10,
    // Also use the public Microsoft-Symbol-Server
    SymUseSymSrv = 0x20,
    // Contains all the abouve "Sym"-options
    SymAll = 0x30,
    // Contains all options (default)
    OptionsAll = 0x3F
} StackWalkOptions;

五，使用须知
1， NT/Win9x：这个工程只支持StackWalk64这个API。如果你想在NT4/win9x上使用的话，你需要重新配置dbghelp.dll。
2， 当前工程在遍历过程中只支持ANSI名称符，(译者注：C++中没看到过有人用中文命名的函数名，但java大有人在)，当然，如果你也可以选择以unicode的编码方式来编译工程来解决中文函数名的问题。
3， 在NT4/win9x的平台上，用“OpenThread”来打开远程线程是不支持的，如果你想实现，请参考Remote Library。
4， 遍历混合模式的callstack(包含managed和unmanaged)并不会返回unmanaged的函数。

[培训]内核驱动高级班，冲击BAT一流互联网大厂工作，每周日13:00-18:00直播授课