Dev 日志 | 一次 Segmentation Fault 和 GCC Illegal Instruction 编译问题排查

dutor · 2020 年6 月 3 日 07:15

摘要

笔者最近在重新整理和编译 Nebula Graph 的第三方依赖，选出两个比较有意思的问题给大家分享一下。

Flex Segmentation Fault——Segmentation fault (core dumped)

在编译 Flex 过程中，遇到了 Segmentation fault：

make[2]: Entering directory '/home/dutor/flex-2.6.4/src'
./stage1flex   -o stage1scan.c ./scan.l
make[2]: *** [Makefile:1696: stage1scan.c] Segmentation fault (core dumped)

使用 gdb 查看 coredump：

Core was generated by `./stage1flex -o stage1scan.c ./scan.l'.
Program terminated with signal SIGSEGV, Segmentation fault.
#0  flexinit (argc=4, argv=0x7ffd25bea718) at main.c:976
976             action_array[0] = '\0';
(gdb) disas
Dump of assembler code for function flexinit:
   0x0000556c1b1ae040 <+0>:     push   %r15
   0x0000556c1b1ae042 <+2>:     lea    0x140fd(%rip),%rax        # 0x556c1b1c2146
   ...
   0x0000556c1b1ae20f <+463>:   callq  0x556c1b1af460 <allocate_array> #这里申请了buffer
   ...
=> 0x0000556c1b1ae24f <+527>:   movb   $0x0,(%rax) # 这里向buffer[0]写入一个字节，地址非法，挂掉了
   ...
(gdb) disas allocate_array
Dump of assembler code for function allocate_array:
   0x0000556c1b1af460 <+0>:     sub    $0x8,%rsp
   0x0000556c1b1af464 <+4>:     mov    %rsi,%rdx
   0x0000556c1b1af467 <+7>:     xor    %eax,%eax
   0x0000556c1b1af469 <+9>:     movslq %edi,%rsi
   0x0000556c1b1af46c <+12>:    xor    %edi,%edi
   0x0000556c1b1af46e <+14>:    callq  0x556c1b19a100 <reallocarray@plt> # 调用库函数申请内存
   0x0000556c1b1af473 <+19>:    test   %eax,%eax # 判断是否为 NULL
   0x0000556c1b1af475 <+21>:    je     0x556c1b1af47e <allocate_array+30># 跳转至NULL错误处理
   0x0000556c1b1af477 <+23>:    cltq   # 将 eax 符号扩展至 rax，造成截断
   0x0000556c1b1af479 <+25>:    add    $0x8,%rsp
   0x0000556c1b1af47d <+29>:    retq
   ...
End of assembler dump.

可以看到，问题出在了 allocate_array 函数。因为 reallocarray 返回指针，返回值应该使用 64 bit 寄存器rax，但 allocate_array 调用 reallocarray 之后，检查的却是 32 bit 的 eax，同时使用 cltq 指令将 eax 符号扩展到 rax。原因只有一个：allocate_array 看到的 reallocarray 的原型，与 reallocarry 的实际定义不符。翻看编译日志，确实找到了 implicit declaration of function ‘reallocarray’ 相关的警告。configure 阶段添加 CFLAGS=-D_GNU_SOURCE 即可解决此问题。

注：此问题不是必现，但编译/链接选项 -pie 和内核参数 kernel.randomize_va_space 有助于复现。

总结：

隐式声明的函数在 C 中，返回值被认为是 int。
关注编译器告警，-Wall -Wextra 要打开，开发模式下最好打开 -Werror。

GCC Illegal Instruction——internal compiler error: Illegal instruction

前阵子，接到用户反馈，在编译 Nebula Graph 过程中遭遇了编译器非法指令的错误，详见(issue#978)

错误信息大概是这样的：

Scanning dependencies of target base_obj_gch
[ 0%] Generating Base.h.gch
In file included from /opt/nebula/gcc/include/c++/8.2.0/chrono:40,
from /opt/nebula/gcc/include/c++/8.2.0/thread:38,
from /home/zkzy/nebula/nebula/src/common/base/Base.h:15:
/opt/nebula/gcc/include/c++/8.2.0/limits:1599:7: internal compiler error: Illegal instruction
min() _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT { return FLT_MIN; }
^~~
0xb48c5f crash_signal
../.././gcc/toplev.c:325
Please submit a full bug report,
with preprocessed source if appropriate.

既然是 internal compiler error，想必是 g++ 本身使用了非法指令。为了定位具体的非法指令集及其所属模块，我们需要复现这个问题。幸运的是，下面的代码片段就能触发：

#include <thread>
int main() 
{
    return 0;
}

非法指令一定会触发 SIGILL，又因为 g++ 只是编译器的入口，真正干活的是 cc1plus。我们可以使用 gdb 来运行编译命令，抓住子进程使用非法指令的第一现场：

$ gdb --args /opt/nebula/gcc/bin/g++ test.cpp
gdb> set follow-fork-mode child
gdb> run
Starting program: /opt/nebula/gcc/bin/g++ test.cpp
[New process 31172]
process 31172 is executing new program: /opt/nebula/gcc/libexec/gcc/x86_64-pc-linux-gnu/8.2.0/cc1plus
Thread 2.1 "cc1plus" received signal SIGILL, Illegal instruction.
[Switching to process 31172]
0x00000000013aa0fb in __gmpn_mul_1 ()
gdb> disas
...
0x00000000013aa086 <+38>: mulx (%rsi),%r10,%r8
...

Bingo！mulx 属于 BMI2 指令集，报错机器 CPU 不支持该指令集。
仔细调查，引入该指令集的是 GCC 的依赖之一，GMP。默认情况下，GMP 会在 configure 阶段探测当前机器的 CPU 具体类型，以期最大化利用 CPU 的扩展指令集，提升性能，但却牺牲了二进制的可移植性。解决方法是，在 configure 之前，使用代码目录中的 configfsf.guess configfsf.sub 替换或者覆盖默认的 config.guess 和 config.sub

总结：

某些依赖可能因为性能或者配置的原因，造成二进制的不兼容。
缺省参数下，GCC 为了兼容性，不会使用较新的指令集。
为了平衡兼容性和性能，你需要做一些额外的工作，比如像 glibc 那样在运行时选择和绑定某个具体实现。

最后，如果你想尝试编译一下 Nebula 源代码可参考以下方式：

bash> git clone https://github.com/vesoft-inc/nebula.git
bash> cd nebula && ./build_dep.sh N

有问题请在 GitHub 或者微信公众号上留言。

附录

Nebula Graph：一个开源的分布式图数据库
GitHub：https://github.com/vesoft-inc/nebula

这是一个从原来 https://nebula-graph.com.cn/posts/segmentation-fault-gcc-illegal-instruction-trouble-shooting/ 中分离出来的主题