在计算机系统中运行程序时，问题经常发生，而且通常很难找到根源。幸运的是，有一种叫做 coredump 的文件可以帮助我们找到问题的源头。本文将解释什么是 coredump，它是如何工作的，以及如何利用它来定位问题。

01 什么是 coredump

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Core dump（核心转储）是指在程序运行过程中发生错误或异常时，操作系统将程序的内存内容保存到磁盘上的一种文件。这个文件包含了程序崩溃时的内存状态，包括变量的值、函数调用栈、寄存器状态等信息。通过分析 coredump 文件，可以了解程序崩溃的原因，以便进行调试和修复。

1.1 ulimit 命令

要生成 core dump 文件，通常需要在操作系统中设置相应的配置。在 Linux 和 Unix 系统中，可以使用 ulimit 命令设置 core dump 文件的大小限制，并使用 gcore 或 kill -SIGQUIT 命令生成 core dump 文件。

ulimit 是 Unix 和 Linux 系统中的内置命令，用于控制用户级别的系统资源限制。这些资源包括文件大小、进程数、核心文件大小、堆栈大小等等。以下是一些使用 ulimit 的基础知识。

使用 ulimit -a 可以列出所有的限制，每一行都对应一个资源类型和其对应的限制。
以下是一些比较常用的 ulimit 选项：

• ulimit -u : 查看用户可以用的最大进程数。
• ulimit -n : 文件描述符的最大个数，即一个进程可以同时打开的最大文件数。
• ulimit -d : 一个进程可以使用的最大数据段大小，单位为KB。
• ulimit -s : 最大堆栈大小，单位为KB。
• ulimit -c : 生成coredump文件的最大大小，单位为KB。
• ulimit -v : 进程虚拟内存的最大值，单位KB。

我们可以在命令后添加具体的数值来设置对应的资源限制，例如：

• ulimit -n 1024 : 设置最大可以打开的文件描述符数为1024。
• ulimit -c unlimited : 设置coredump的大小为无限。

需要注意的是，ulimit 命令设置的资源限制是以 Shell 环境为单位的，而不是全局性的。也就是说，在一个 Shell 环境中设置的资源限制，并不会影响到其他的 Shell 环境。同时，这些限制只对当前 Shell 环境以及它派生出来的子进程生效，对已经存在的其他进程没有影响。

总的来说，ulimit 命令是一个很有用的工具，它可以帮助我们控制进程对系统资源的使用，从而防止一些程序错误导致系统资源的耗尽。

1.2 coredump 实例

1. ulimit 查看资源限制

一般情况下如果 coredump 文件没有生成，很大可能是由于受到资源限制，使用 ulimit命令查看和设置资源限制

ulimit -c						 # 查看是否开启 core，0 表示关闭 
ulimit -c [filesize] # 设置 core 文件大小
ulimit -c unlimited  # 设置 core 文件大小为无限

2. 设置 core 文件路径

在 Linux 系统中，core dump 文件的路径是由 /proc/sys/kernel/core_pattern 定义的，如果这个文件不存在，或者内容为空，那么 core dump 文件就会生成在当前目录下

也可以通过修改 /proc/sys/kernel/core_pattern 指定 core 文件生成的路径和文件名

# 查看当前 core 文件路径
cat /proc/sys/kernel/core_pattern 

# 指定 core 文件路径
sudo echo "yourpath/core.%e.%p.%h.%t" > /proc/sys/kernel/core_pattern
sudo sysctl -w kernel.core_pattern=yourpath/core.%e.%p.%h.%t  # # 也可以使用 sysctl 修改 kernel.core_pattern 来指定 core 文件路径

其中 core 文件名称定义中，可以使用占位符保留一些有用信息

%p: pid
%u: uid
%g: gid
%s: signal number
%t: UNIX time of dump
%h: hostname
%e: executable filename

3. 空指针 core 示例

下面这个例子中试图通过一个 NULL 指针来访问内存，这是非法的，因为 NULL 指针并没有指向任何有效的内存位置，因而在运行时，操作系统将识别这个非法操作，并生成一个 Coredump 文件。

#include <stdio.h>

int main() {
    int *ptr = NULL;
    printf("%d", *ptr);
    return 0;
}

编译运行这段程序如下，可以看到触发了 core dumped

需要注意的是编译的时候记得加上 -g 参数保留调试信息，否则使用 GDB 调试时会找不到函数名或者变量名

$ gcc -g main.c -o main
$ ./main
[1]    277 segmentation fault (core dumped)  ./main

4. 使用 GDB 调试 core 文件

找到 core 文件，然后使用命令 gdb [exec file] [core file] 调试 core 文件

$ cd your-core-path
$ ls
core.main
$ gdb ~/main ./core.main

GDB 运行后会停止在发生异常的代码处，并且将发生异常的代码打印出来，如下图中指出了异常位于 mian.c 的第 5 行代码 *ptr 是一个空指针

02 coredump 是怎么发生的

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2.1 程序运行错误导致 coredump

程序执行非法操作时，例如解引用空指针，除数为零，或者访问越界的内存，操作系统就会生成一个 coredump 文件并终止程序运行。以下是一些常见导致 core dump 发生的原因：

• 空指针引用：当程序试图访问一个空指针时，操作系统会捕获这个错误并生成 core dump 文件
• 内存越界：当程序试图访问超出其分配内存范围的位置时，可能会导致内存越界错误，从而触发 core dump
• 栈溢出：当程序的函数调用栈超过其允许的最大深度时，可能会发生栈溢出错误，导致 core dump 发生
• 除零错误：当程序试图除以零时，会触发除零错误，操作系统可能会生成 core dump 文件
• 非法指令：当程序执行了无效或非法的机器指令时，操作系统通常会生成 core dump 文件
• 内存分配错误：当程序遇到内存分配错误，如申请内存失败或释放已释放的内存时，可能会触发 core dump

这些程序执行非法操作时，操作系统会向指定进程发送特定信号（signal）终止程序运行并生成 coredump，一些常见信号有：

• SIGSEGV (信号值 11)：当一个进程由于无效的内存访问，如解引用空指针，或访问受保护的内存区域时，系统会向它发送此信号。这是生成coredump最常见的原因
• SIGABRT (信号值 6)：当进程自身检测到一个无法恢复的问题，并选择主动终止时，它会发送这个信号给自己。例如，C库函数abort()就会发送这个信号
• SIGILL (信号值 4)：当CPU检测到进程试图执行一条无效或未定义的指令时，系统会发送此信号。一个可能的原因是代码的内存被错误地当作数据修改
• SIGFPE (信号值 8)：在数学运算错误时发送，比如除以零或浮点溢出
• SIGBUS (信号值 7)：用于处理错误的内存访问，但这个信号在不同的系统和架构下含义可能会有所不同。在某些系统中，它用于处理对齐（alignment）问题
• SIGQUIT (信号值 3)：用户通过控制台（通常是按Ctrl+\）向进程发送此信号，它不仅会停止进程的运行，还会生成coredump

Signal	Value	Action	Comment
SIGSEGV	11	Core	Invalid memory reference
SIGABRT	6	Core	Abort signal from abort
SIGILL	4	Core	Illegal Instruction
SIGFPE	8	Core	Floating point exception
SIGBUS	7	Core	Bus error (bad memory access)
SIGQUIT	3	Core	Quit from keyboard

2.2 coredump 文件生成原理

本节参考如有侵权，请告知：https://cloud.tencent.com/developer/article/1860631

coredump 文件的产生过程如下图所示：

Linux 内核实现中使用一个复杂的任务结构（task_struct）结构体来代表系统中的每个进程或线程，这个结构体被定义在 include/linux/sched.h 文件中，其中也包含了记录信号处理相关的属性，如用于存放待处理信号的 pending 信号队列和阻塞信号 blocked 等。

当一个信号被发送到进程时，它首先被添加到该进程的 pending 信号队列中。而内核在进程切换的上下文切换中，在运行被调用进程时会先检查这个 pending 信号队列。如果有待处理的信号，内核会在恢复进程运行前，调用信号的处理函数。这个过程大多数发生在 do_signal 函数中，这个函数在每次中断返回，系统调用返回，或者任何可能会改变进程状态的操作后执行。

如果一个信号是致命的（如 SIGSEGV, SIGABRT），并且进程并没有注册处理函数来处理它，那么内核会根据这个信号的默认行为来操作，比如可能会终止进程，或者产生 coredump 文件等。

通过上述分析，coredump 文件生成的过程可以总结为：程序运行产生 core 相关的信号 signal；do_signal 函数处理信号；如果默认行为是 Core 则调用 do_coredump 函数生成 core 文件。下面结合源码进一步分析该过程

1. 信号处理过程

在进程切换的上下文切换时，检查信号队列 pending 是否有待处理信号，有则调用 do_singal 函数处理，该函数中使用 get_signal_to_deliver 函数从进程的信号队列 pending 中获取一个信号，然后根据信号的类型来进行不同的操作。

get_signal_to_deliver 函数中处理 coredump 相关信号的代码实现如下，首先使用 dequeue_signal 函数获取信号，然后使用 sig_kernel_coredump 函数判断该信号是否为 coredump 相关信号，如果是则执行 core 相关动作

int get_signal_to_deliver(siginfo_t *info, struct k_sigaction *return_ka,
                          struct pt_regs *regs, void *cookie)
{
    sigset_t *mask = &current->blocked;
    int signr = 0;

    ...
    for (;;) {
        ...
        // 1. 从进程信号队列中获取一个信号
        signr = dequeue_signal(current, mask, info); 

        ...
        // 2. 判断是否会生成 coredump 文件的信号
        if (sig_kernel_coredump(signr)) {
            // 3. 调用 do_coredump() 函数生成 coredump 文件
            do_coredump((long)signr, signr, regs);
        }
        ...
    }
    ...
}

2. 生成 coredump 文件

当 coredump 相关信号被处理时，调用内核就会调用 do_coredump 函数来生成 coredump 文件，该函数核心代码如下，首先判断 ulimit 的资源限制情况，如果可用则创建 coredump 文件，最后将当前进程的寄存器、内存管理等相关信息写入到该文件中。

int do_coredump(long signr, int exit_code, struct pt_regs *regs)
{
    char corename[CORENAME_MAX_SIZE + 1];
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct linux_binfmt *binfmt;
    struct inode *inode;
    struct file *file;
    int retval = 0;
    int fsuid = current->fsuid;
    int flag = 0;
    int ispipe = 0;

    binfmt = current->binfmt; // 当前进程所使用的可执行文件格式（如ELF格式）

    ...
    // 1. 判断当前进程可生成的 coredump 文件大小是否受到资源限制
    if (current->signal->rlim[RLIMIT_CORE].rlim_cur < binfmt->min_coredump)
        goto fail_unlock;

    ...
    // 2. 生成 coredump 文件名
    ispipe = format_corename(corename, core_pattern, signr);

    ...
    // 3. 创建 coredump 文件
    file = filp_open(corename, O_CREAT|2|O_NOFOLLOW|O_LARGEFILE|flag, 0600);

    ...
    // 4. 把进程的内存信息写入到 coredump 文件中
    retval = binfmt->core_dump(signr, regs, file);

fail_unlock:
    ...
    return retval;
}

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参考资料

一文读懂 | coredump文件是如何生成的-腾讯云开发者社区-腾讯云

core dump 路径定义以及监控

Linux下gdb调试生成core文件并调试core文件-阿里云开发者社区

Linux进程描述符task_struct结构体详解

gdb调试coredump（使用篇）