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源码分析:静态分析 C 程序函数调用关系图

Wu Zhangjin 创作于 2015/04/05

By Falcon of TinyLab.org 2015/04/03

故事缘由

源码分析是程序员离不开的话题。无论是研究开源项目,还是平时做各类移植、开发,都避免不了对源码的深入解读。

工欲善其事,必先利其器。今天我们来玩转一个小工具,叫 Callgraph,它可以把 C 语言的函数调用树(或者说流程图)画出来。

传统的命令行工具 Cscope, Ctags 可以结合 vim 等工具提供高效快捷的跳转,但是无法清晰的展示函数内部的逻辑关系。

至于图形化的IDE,如 QtCreator, Source Insight, Eclipse, Android Studio 等,却显得笨重,而且不一定支持导出调用关系图。

开源软件在线代码交叉检索 一文中我们也介绍到了诸如 LXR, OpenGrok 之类的工具,它们避免了本地代码库而且提供了方便的 Web 展示,不过也无法提供函数关系的清晰展示。

下面开始 Callgraph 之旅。

安装 Callgraph

Callgraph 实际由三个工具组合而成。

  • 一个是用于生成 C 函数调用树的 cflow 或者 calltree,下文主要介绍 cflow。
  • 一个处理 dot 文本图形语言的工具,由 graphviz 提升。建议初步了解下:DOT 语言
  • 一个用于把 C 函数调用树转换为 dot 格式的脚本:tree2dotx

以 Ubuntu 为例,分别安装它们:

$ sudo apt-get install cflow graphviz

如果确实要用 calltree,请通过如下方式下载。不过 calltree 已经年久失修了,建议不用。

$ wget -c https://github.com/tinyclub/linux-0.11-lab/raw/master/tools/calltree

接下来安装 tree2dotx 和 Callgraph,这里都默认安装到 /usr/local/bin

$ wget -c https://github.com/tinyclub/linux-0.11-lab/raw/master/tools/tree2dotx
$ wget -c https://github.com/tinyclub/linux-0.11-lab/raw/master/tools/callgraph
$ sudo cp tree2dotx callgraph /usr/local/bin
$ sudo chmod +x /usr/local/bin/{tree2dotx,callgraph}

:部分同学反馈,tree2dotx输出结果有异常,经过分析,发现用了 mawk,所以请提交安装下gawk

$ sudo apt-get install gawk

分析 Linux 0.11

准备

先下载泰晓科技提供的五分钟 Linux 0.11 实验环境:Linux-0.11-Lab

$ git clone https://github.com/tinyclub/linux-0.11-lab.git && cd linux-0.11-lab

初玩

回到之前在 Linux-0.11-Lab 展示的一副图:

Linux 0.11 CallGraph of main

它展示了 Linux 0.11 的主函数 main 的调用层次关系,清晰的展示了内核的基本架构。那这样一副图是如何生成的呢?非常简单:

$ make cg f=main
Func: main
Match: 3
File:
     1    ./init/main.c: * main() use the stack at all after fork(). Thus, no function
     2    ./init/main.c: * won't be any messing with the stack from main(), but we define
     3    ./init/main.c:void main(void)        /* This really IS void, no error here. */
Select: 1 ~ 3 ? 3
File: ./init/main.c
Target: ./init/main.c: main -> callgraph/main.__init_main_c.svg

需要注意的是,上面提供了三个选项用于选择需要展示的图片,原因是这个 callgraph 目前的函数识别能力还不够智能,可以看出 3 就是我们需要的函数,所以,上面选择序号 3。

生成的函数调用关系图默认保存为 callgraph/main.__init_main_c.svg。

图片导出后,默认会调用 chromium-browser 展示图片,如果不存在该浏览器,可以指定其他图片浏览工具,例如:

$ make cg b=firefox

上面的 make cg 实际调用 callgraph

$ callgraph -f main -b firefox

玩转它

类似 main 函数,实际也可渲染其他函数,例如:

$ callgraph -f setup_rw_floppy
Func: setup_rw_floppy
File: ./kernel/blk_drv/floppy.c
Target: ./kernel/blk_drv/floppy.c: setup_rw_floppy -> callgraph/setup_rw_floppy.__kernel_blk_drv_floppy_c.svg

因为只匹配到一个 setup_rw_floppy,无需选择,直接就画出了函数调用关系图,而且函数名自动包含了函数所在文件的路径信息。

  • 模糊匹配

    例如,如果只记得函数名的一部分,比如 setup,则可以:

    $ callgraph -f setup
    Func: setup
    Match: 4
    File:
         1    ./kernel/blk_drv/floppy.c:static void setup_DMA(void)
         2    ./kernel/blk_drv/floppy.c:inline void setup_rw_floppy(void)
         3    ./kernel/blk_drv/hd.c:int sys_setup(void * BIOS)
         4    ./include/linux/sys.h:extern int sys_setup();
    Select: 1 ~ 4 ?
    

    因为 setup_rw_floppy 函数是第 2 个被匹配到的,选择 2 就可以得到相同的结果。

  • 指定函数所在文件(或者文件所在的目录)

    $ callgraph -f setup -d ./kernel/blk_drv/hd.c
    

    类似的, make cg 可以这么用:

    $ make cg f=setup d=./kernel/blk_drv/hd.c
    

    看看效果:

Linux 0.11 CallGraph of setup_rw_floppy

分析新版 Linux

初玩

先来一份新版的 Linux,如果手头没有,就到 www.kernel.org 搞一份吧:

$ wget -c https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.10.73.tar.xz
$ tar Jxf linux-3.10.73.tar.xz && cd linux-3.10.73

玩起来:

$ callgraph -f start_kernel -d init/main.c

酷玩

  • 砍掉不感兴趣的函数分支

    上面生成的图,有没有觉得 printk 之类的调用太多,觉得很繁琐。没关系,用 -F 砍掉。

    $ callgraph -f start_kernel -d init/main.c -F printk
    

    如果要砍掉很多函数,则可以指定一个函数列表:

    $ callgraph -f start_kernel -d init/main.c -F "printk boot_cpu_init rest_init"
    
  • 指定函数调用深度:

    -D 命令可以指定:

    $ callgraph -f start_kernel -d init/main.c -F "printk boot_cpu_init rest_init" -D 2
    
  • 指定函数搜索路径

    我们来看看 update_process_times 的定义,用 -d 指定搜索路径:

    $ callgraph -f update_process_times -d kernel/
    

    它会自动搜索 kernel/ 目录并生成一副图,效果如下:

    Linux CallGraph of update_process_times

    考虑到 callgraph 本身的检索效率比较低(采用grep),如果不能明确函数所在的目录,则可以先用 cscope 之类的建立索引,先通过这些索引快速找到函数所在的文件,然后用 -d 指定文件。

    例如,假设我们通过 cs find g update_process_times 找到该函数在 kernel/timer.c 中定义,则可以:

    $ callgraph -f update_process_times -d kernel/timer.c
    

原理分析

callgraph 实际上只是灵活组装了三个工具,一个是 cflow,一个是 tree2dotx,另外一个是 dot。

cflow:拿到函数调用关系

$ cflow -b -m start_kernel init/main.c > start_kernel.txt

tree2dotx: 把函数调用树转换成 dot 格式

$ cat start_kernel.txt | tree2dotx > start_kernel.dot

用 dot 工具生成可以渲染的图片格式

这里仅以 svg 格式为例:

$ cat start_kernel.dot | dot -Tsvg -o start_kernel.svg

实际上 dot 支持非常多的图片格式,请参考它的手册:man dot

趣玩 tree2dotx

关于 tree2dotx,需要多说几句,它最早是笔者 2007 年左右所写,当时就是为了直接用图文展示树状信息。该工具其实支持任意类似如下结构的树状图:

a
  b
  c
    d
    x
      y
  e
  f

所以,我们也可以把某个目录结构展示出来,以 Linux 0.11 为例:

$ cd linux-0.11
$ tree -L 2 | tree2dotx | dot -Tsvg -o tree.svg

如果觉得一张图显示的内容太多,则可以指定某个当前正在研读的内核目录,例如 kernel 部分:

$ tree -L 2 kernel | tree2dotx -f Makefile | dot -Tsvg -o tree.svg

看下效果:

Linux 0.11 tree Graph of kernel/

What’s more?

上文展示了如何把源码的调用关系用图文的方式渲染出来。好处显而易见:

  • 不仅可以清晰的理解源码结构,从而避免直接陷入细节,进而提高源码分析的效率。
  • 也可以基于这个结果构建流程图,然后用 inkscape 之类的工具做自己的调整和扩充,方便做后续展示。
  • 还可以把这些图文用到文档甚至书籍中,以增加可读性。

Callgraph 的图文展示基于 cflow 或者 calltree,它们都只是静态源码分析的范畴。

后续我们将从从运行时角度来动态分析源码的实际执行路径。我们计划分开展示应用部分和内核部分。

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