DWARF Call Frame Information — .debug_frame과 .eh_frame 분해

GDB의 bt가 어떻게 콜스택을 거꾸로 풀어 갈까요. 답은 .eh_frame (또는 .debug_frame) 섹션의 CFI(Call Frame Information). 각 PC 위치에서 어디가 호출자 측 프레임인지, 어떤 레지스터가 어떻게 보존됐는지를 표로 기술한 데이터.

이 장은 그 정체를 다룹니다. CFI 모델, CIE/FDE 구조, register rule, CFA 계산, .eh_frame_hdr의 이진 탐색 인덱스, 그리고 C++ 예외와의 관계.

#왜 필요한가

1
void f() { g(); }
2
void g() { h(); }
3
void h() { /* crash */ }

h에서 죽었을 때 GDB가 bt로 f → g → h를 보여 주려면 각 단계에서:

1. 호출자 PC 어디에 저장됐나? (보통 스택)
2. 호출자 SP 얼마나 위에 있나?
3. 호출자 BP / FP 얼마나 위에?
4. 다른 callee-saved 레지스터 (x86-64의 rbx/r12-r15)는 어디?

각 함수마다 프롤로그/에필로그가 다르고, PC 위치에 따라 답이 달라집니다 (프롤로그 진행 중과 본문 안이 다름). 이 모든 경우를 표현하는 게 CFI.

#모델 — CFA와 Register Rule

각 PC 위치에서.

CFA (Canonical Frame Address) = 호출자 측 SP의 값.

호출자 측 각 레지스터의 위치(register rule):

bt의 한 단계 위로 올라가기.

1. 현재 PC의 CFI table을 lookup.
2. 호출자 측 PC = *(CFA + return_address_offset) 또는 register rule로 계산.
3. 호출자 측 SP = CFA.
4. 호출자 측 BP/FP, 다른 callee-saved도 register rule로 복원.
5. 1로 — 호출자 측 PC로 다시.

이 반복으로 콜스택의 모든 프레임을 풀어 갑니다.

#한 예 — main 함수의 CFI

1
$ llvm-dwarfdump --debug-frame my_prog | head -30
2
.debug_frame contents:
3
00000000 00000014 ffffffff CIE
4
  Format:                DWARF32
5
  Version:               4
6
  Augmentation:          ""
7
  Address size:          8
8
  Segment desc size:     0
9
  Code alignment factor: 1
10
  Data alignment factor: -8
11
  Return address column: 16
12

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  DW_CFA_def_cfa: r7 +8
14
  DW_CFA_offset: r16 -8
15
  DW_CFA_nop
16
  DW_CFA_nop
17

18
00000018 0000001c 00000000 FDE cie=00000000 pc=00401130...0040115e
19
  DW_CFA_advance_loc: 1 to 0x00401131
20
  DW_CFA_def_cfa_offset: +16
21
  DW_CFA_offset: r6 -16
22
  DW_CFA_advance_loc: 3 to 0x00401134
23
  DW_CFA_def_cfa_register: r6
24
  DW_CFA_advance_loc: 38 to 0x0040115a
25
  DW_CFA_def_cfa: r7 +8

각 PC 위치마다 CFA 정의가 바뀝니다 (프롤로그 진행).

1
PC          CFA         rbp (r6) 위치     rip (r16) 위치
2
0x401130    rsp+8       (still in caller)  CFA-8
3
0x401131    rsp+16      CFA-16             CFA-8     ← push rbp 후
4
0x401134    rbp+16      CFA-16             CFA-8     ← mov rbp,rsp 후
5
0x40115a    rsp+8       ...                CFA-8     ← pop rbp 후

이 표를 동적으로 재구성하는 게 CFI 바이트코드.

#CIE — Common Information Entry

같은 호출 규약을 공유하는 함수들의 공통 정보. 보통 ABI별 한 개.

1
struct CIE {
2
    uint32_t length;            // 이후 데이터 길이
3
    uint32_t cie_id;            // 0xFFFFFFFF (DWARF) 또는 0 (eh_frame)
4
    uint8_t  version;
5
    string   augmentation;      // ABI별 추가 정보
6
    uint8_t  address_size;      // DWARF 4+
7
    uint8_t  segment_size;
8
    uleb128  code_alignment_factor;     // CFA 명령의 offset multiplier
9
    sleb128  data_alignment_factor;     // register rule offset multiplier
10
    uleb128  return_address_register;   // PC가 어느 column에?
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    augmentation_data[];               // augmentation별 추가 데이터
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    byte     initial_instructions[];   // 모든 FDE에 적용되는 초기 CFI 명령
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};

augmentation은 문자열. 일반적인 값.

x86-64 System V의 일반 augmentation은 "zR" 또는 "zPLR".

#initial_instructions

CIE 안에도 CFI 명령이 있어 모든 FDE의 시작 상태를 정의.

CIE:

• DW_CFA_def_cfa: r7 +8 ← 초기 CFA = rsp + 8
• DW_CFA_offset: r16 -8 ← rip는 CFA - 8에 (call 명령이 push한 것)

함수 진입 직후의 상태. 모든 함수가 call에 의해 호출됨 → rsp+8이 호출자 SP, rsp+0이 return address.

#FDE — Frame Description Entry

함수 하나당 한 개. CIE를 가리키고 함수의 PC 범위 + 그 함수만의 추가 CFI 명령.

1
struct FDE {
2
    uint32_t length;
3
    uint32_t cie_pointer;       // 이 FDE가 참조하는 CIE의 위치
4
    address  pc_begin;           // 함수 시작 PC
5
    address  pc_range;
6
    augmentation_data[];
7
    byte     instructions[];     // 함수의 PC 진행에 따른 CFI 변경
8
};

instructions가 PC 차분과 register rule 변경을 표현합니다 — 함수의 프롤로그/에필로그를 따라 어떻게 CFA가 바뀌고 register가 어디 저장되는지.

#CFI 명령 카탈로그

PC 진행 (DW_CFA_advance_loc*)와 register/CFA 변경이 섞임.

#PC 진행

PC 진행만 표시 → 그 PC 직전까지의 CFI는 이전 명령까지 유효.

#CFA 정의

DW_CFA_def_cfa: r7 +8이 초기 (rsp+8). DW_CFA_def_cfa_register: r6 (rbp 사용 시작) → 이후 DW_CFA_def_cfa_offset 갱신.

#Register Rule

DW_CFA_offset이 가장 일반적 — callee-saved 레지스터가 스택의 어디에 저장됐는지.

#스택

if/else 분기로 프롤로그/에필로그가 갈리는 함수에서 사용. 컴파일러가 두 경로의 CFI를 별도로 encoding 없이 공통 상태 push + 각 분기 변경 + pop으로 압축.

#CFI 인코딩 — 압축의 트릭

DW_CFA_advance_loc이 6-bit 인라인. opcode 한 바이트의 상위 2비트 = 0x40 + 하위 6비트가 delta.

1
0x40 | (delta & 0x3F)  → DW_CFA_advance_loc with small delta

작은 PC 차분 (< 64)이 한 바이트로 끝납니다. 큰 delta가 흔하지 않으므로 압축비 매우 큼.

DW_CFA_offset도 비슷하게 6-bit 인라인 register:

1
0x80 | (reg & 0x3F), uleb128 offset

opcode 한 바이트 + offset LEB128 = 보통 2-3 바이트.

#실제 디스어셈블 + CFI

1
$ objdump -d --disassembler-options=intel my_prog | head -20
2
0000000000401120 <main>:
3
  401120: push   rbp
4
  401121: mov    rbp,rsp
5
  401124: sub    rsp,0x10
6
  401128: mov    DWORD PTR [rbp-0x4],edi
7
  ...
8
  40115a: leave
9
  40115b: ret
10

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$ llvm-dwarfdump --debug-frame my_prog
12
00000018 0000001c 00000000 FDE cie=00000000 pc=00401120...0040115c
13
  DW_CFA_advance_loc: 1 to 0x00401121     # push rbp 후
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  DW_CFA_def_cfa_offset: +16
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  DW_CFA_offset: r6 -16                    # rbp는 CFA-16에
16
  DW_CFA_advance_loc: 3 to 0x00401124     # mov rbp,rsp 후
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  DW_CFA_def_cfa_register: r6              # CFA는 rbp 기준
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  DW_CFA_advance_loc: 54 to 0x0040115a    # leave 직전
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  DW_CFA_def_cfa: r7 +8                    # rsp 기준으로 복원

각 프롤로그 명령이 끝난 직후 CFI 상태가 변경됩니다 — push rbp 후엔 SP가 8 줄었으니 CFA offset이 +16, rbp가 새 SP 위치에 저장. mov rbp,rsp 후엔 rbp가 frame base가 됐으므로 CFA의 base register를 변경.

#.eh_frame vs .debug_frame

.eh_frame이 항상 있다는 게 중요합니다 — -O2 -s (strip) 빌드에도 unwinding 가능. 그래서 stripped 바이너리의 bt도 (함수명은 ??지만) 콜스택 구조는 복원됩니다.

-fno-asynchronous-unwind-tables로 .eh_frame을 없앨 수도 있지만, libstdc++ 예외가 동작 안 함. 임베디드에서 flash 절감 목적으로 가끔 사용.

#.eh_frame_hdr — 이진 탐색 인덱스

.eh_frame에 수천 FDE가 있을 때 PC로 빠르게 찾으려면 인덱스 필요. .eh_frame_hdr이 그 역할.

.eh_frame_hdr 구조:

• version (1바이트, 보통 1)
• eh_frame_ptr_enc (1바이트, 인코딩 종류)
• fde_count_enc (1바이트)
• table_enc (1바이트)
• eh_frame_ptr (.eh_frame 시작 주소)
• fde_count (FDE 개수)

table[]:

• (initial_pc, fde_ptr) ← PC로 정렬된 (PC, FDE) 쌍

PC가 주어지면 table에서 이진 탐색. O(log n)로 FDE 찾기. libgcc·libunwind의 _Unwind_Find_FDE가 이 인덱스 사용.

1
$ readelf -SW my_prog | grep eh_frame
2
[19] .eh_frame_hdr     PROGBITS  ...
3
[20] .eh_frame         PROGBITS  ...

PT_GNU_EH_FRAME 세그먼트가 .eh_frame_hdr의 주소를 가리킴 → 로더가 런타임에 즉시 찾아갈 수 있습니다.

#libunwind / glibc backtrace

C 표준 backtrace() 함수가 .eh_frame의 CFI를 사용:

1
#include <execinfo.h>
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void *buf[64];
3
int n = backtrace(buf, 64);
4
char **syms = backtrace_symbols(buf, n);
5
for (int i = 0; i < n; i++) puts(syms[i]);

내부적으로 _Unwind_Backtrace (libgcc) 또는 libunwind를 호출 → 각 프레임에서 CFI lookup → 호출자 PC 복원.

__builtin_return_address(0)은 직접 frame pointer 추적. __builtin_return_address(N)은 N단계 위 (CFI 없이 frame pointer만 보면 종종 깨짐).

#libgcc_s.so.1과 호환

CFI 처리가 복잡해 시스템마다 라이브러리가 다릅니다.

• glibc + libgcc — Linux 표준.
• musl + libgcc 또는 libunwind-llvm — Alpine.
• macOS의 libunwind는 별도 구현.
• 임베디드의 베어메탈은 libgcc_eh.a를 정적 링크.

C++ 예외를 던지는 함수는 자동으로 libgcc에 의존. 정적 링크 + 예외 사용 시 libgcc_eh.a가 따라옵니다.

#DWARF 5의 변화

• DW_CFA_GNU_args_size가 표준화.
• DW_CFA_val_offset 도입.
• 새 augmentation "S" (signal frame).

기본 메커니즘은 DWARF 2 시절과 거의 동일. 매우 안정된 표준.

#frame pointer vs CFI

-fomit-frame-pointer(-O2의 기본)로 rbp가 frame pointer 역할을 안 함. bt는 그래도 동작 — .eh_frame의 CFI 덕분.

다만 정밀도는 frame pointer 있을 때보다 떨어집니다 — 컴파일러가 CFI를 모든 PC에 대해 정확히 출력하지는 않거든요. 특히.

• Inline asm.
• Naked function (__attribute__((naked))).
• Signal handler 내부 (signal frame의 augmentation 처리 필요).

-fno-omit-frame-pointer가 프로파일러에서 권장되는 이유 — perf의 stack sample이 빠를 뿐 아니라 정확.

#CFI 변경의 시점

1
void f() {
2
    push rbp                ; CFA 정의가 바뀌어야
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    mov rbp, rsp            ; 또 한 번 바뀌어야
4
    sub rsp, 0x10           ; CFA offset 변경
5
    ...본문...
6
    add rsp, 0x10           ; CFA offset 변경
7
    pop rbp                 ; CFA register 변경
8
    ret                     ; 함수 종료
9
}

각 명령어 끝마다 CFI 변경. 컴파일러가 이를 모두 정확히 출력하는 게 핵심. GCC/Clang은 잘 하지만 인라인 어셈블리·tail call에서 가끔 빠짐.

#자동 도구

1
# CFI raw
2
$ llvm-dwarfdump --debug-frame my_prog
3
$ readelf --debug-dump=frames my_prog
4

5
# 디코딩된 표 형태
6
$ readelf --debug-dump=frames-interp my_prog | head -20
7
00000018 0000001c 00000000 FDE cie=00000000 pc=00401120..0040115c
8
   LOC           CFA      rbx  rbp  r12  r13  r14  r15  ra
9
00401120 rsp+8    u    u    u    u    u    u    c-8
10
00401121 rsp+16   u    c-16 u    u    u    u    c-8
11
00401124 rbp+16   u    c-16 u    u    u    u    c-8
12
0040115a rsp+8    u    c-16 u    u    u    u    c-8

c-8 같은 표기가 CFA - 8 위치. u = undefined (변경 안 됨).

1
# pyelftools
2
for cu in dwarf.iter_CUs():
3
    for entry in dwarf.CFI_entries():
4
        if entry.is_CIE():
5
            print("CIE")
6
        else:
7
            print(f"FDE pc={entry.header.initial_location:#x}")
8
            for instr in entry.instructions:
9
                print(f"  {instr.opcode}")

#CFI in JIT 코드

V8, JVM, .NET 같은 JIT은 런타임에 코드를 생성. 그 코드의 CFI도 런타임에 등록해야 GDB가 콜스택을 풀 수 있습니다.

• __register_frame() — 단일 FDE 등록.
• __register_frame_info() — 여러 FDE.
• Linux의 perf_jitdump로 perf와 통합.

JIT의 콜스택 디버깅이 어려운 이유 — 이 등록이 잘 안 됐을 때 콜스택이 Random 주소에서 끊깁니다.

#시그널 frame

시그널 핸들러는 커널이 자동으로 frame을 푸시해 들어옵니다. 그 frame은 일반 함수 호출과 다른 형태.

DWARF augmentation "S"로 표시. 또는 DW_CFA_GNU_args_size 같은 GNU 확장.

GDB가 bt에서 <signal handler called>를 보여 주는 이유 — 시그널 frame임을 인식.

#ARM64 — PAC + BTI

ARM64는 Pointer Authentication 기능이 있어 return address가 서명된 상태로 스택에 저장. CFI에서 이를 인식하려면 DW_CFA_AARCH64_negate_ra_state 같은 새 opcode가 필요. DWARF 5에 표준화.

BTI(Branch Target Indicator)는 직접적 CFI 영향은 없지만 인터프리터 디버거가 valid 진입점을 인식할 때 사용.

#정리

• CFI = 각 PC에서 CFA 정의 + 호출자 측 레지스터 위치.
• CIE가 공통 정보 (호출 규약), FDE가 함수 하나당.
• DW_CFA_* 명령으로 PC 진행 + CFA/register rule 변경.
• 6-bit 인라인 opcode로 압축 (작은 PC delta).
• .eh_frame = 항상 있음 (C++ 예외 + 디버깅).
• .debug_frame = 디버깅 전용.
• .eh_frame_hdr이 이진 탐색 인덱스.
• libgcc/libunwind가 CFI 처리.
• frame pointer 없어도 .eh_frame만으로 unwind 가능.
• JIT은 __register_frame()으로 런타임 등록.
• 시그널 frame은 augmentation으로 표시.

#다음 장 예고

Ch 6 (시리즈 마지막) — split-DWARF, dwz, debuginfod, 그리고 pyelftools로 자체 DWARF 도구 만들기.

#관련 항목

• Ch 4: DWARF expression VM
• Ch 6: split-DWARF / debuginfod / pyelftools
• DWARF 5 § 6.4 (Call Frame Information)
• Itanium C++ ABI § 5 Exception Handling
• LLVM libunwind
• Linux Standard Base — exception handling