linux服务器开发—手写内存泄漏检测组件

一口Linux 2022-04-09 13:22

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内存泄漏原因

内存泄漏在C/C++这种不带GC(Garbage Collection)的语言里，是一个经常发生的问题。因为没有GC，所以分配的内存需要程序员自己调用释放。内存泄漏的根本原因是程序对于在申请的内存没有进行释放。

{
void *p1 = malloc(10);
void *p2 = malloc(20);

free(p1);
}

上面的代码段，申请了两块内存p1，p2，只释放了p1，没有释放p2，产生了内存泄漏。

内存泄漏会产生哪些后果？

随着程序运行时间越来越久，内存有分配没有释放，会使得进程堆中的内存会越来越少，直到耗尽。会造成后面的运行时代码不能成功分配内存。

内存泄漏如何解决？

方案一引入gc，从语言层面解决内存泄漏；

方案二当发生内存泄漏的时候，能够精准的定位代码那个文件、那个函数、哪一行所引起的。

我们实现的是方案二，核心需求有两个。

需求1：能够检测出内存泄漏

需求2：能够指出是由代码的哪个文件、哪个函数、哪一行引起的内存泄漏

内存泄漏检测如何实现？

内存泄漏检测实现的核心思想就是对系统的malloc/free进行hook，用我们自己的malloc/free代替系统调用，将free的地址和malloc的地址进行匹配，查看最后又哪些malloc没有进行free，并将没有free的malloc操作的代码段地址进行记录，通过代码段定位所在的文件、函数、代码行。

方案一

采用__libc_malloc, libc_free与__builtin_return_address。它们是gcc提供的函数。

__libc_malloc, libc_free用来代替malloc/free。可以用来实现hook。需要注意的是，我们实现的malloc/free函数，内部会有一些函数如printf，fopen，需要防止它们会嵌套调用malloc/free。

__builtin_return_address，能够返回调用所在函数的代码段的地址。能够定位内存泄漏的具体位置。

malloc的时候，创建一个文件，文件名使用申请内存的地址，并记录申请该内存的代码段的地址；free的时候，删除对应的文件。

#include 
#include 
#include 
 
int enable_malloc_hook = 1;
extern void *__libc_malloc(size_t size);
 
int enable_free_hook = 1;
extern void *__libc_free(void *p);
 
void *malloc(size_t size) {
 
    if (enable_malloc_hook) {
        enable_malloc_hook = 0;
 
        void *p = __libc_malloc(size);
 
        void *caller = __builtin_return_address(0);
 
        char buff[128] = {0};
        sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p);
 
        FILE *fp = fopen(buff, "w");
        fprintf(fp, "[+%p]malloc --> addr:%p size:%lu\n", caller, p, size);
        fflush(fp);
 
        enable_malloc_hook = 1;
        return p;
    } else {
 
        return __libc_malloc(size);
 
    }
    return NULL;
}
 
void free(void *p) {
 
    if (enable_free_hook) {
        enable_free_hook = 0;
        char buff[128] = {0};
        sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p);
 
        if (unlink(buff) < 0) {
            printf("double free: %p\n", p);
        }
 
        __libc_free(p);
 
 
        enable_free_hook = 1;
    } else {
        __libc_free(p);
    }
 
}
 
// gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g
// addr2line -f -e  memleak_0  -a 0x4006d8
int main() {
 
 
    void *p1 = malloc(10);
    void *p2 = malloc(20);
 
    free(p1);
 
    void *p3 = malloc(30);
    void *p4 = malloc(40);
 
    free(p2);
    free(p4);
 
    return 0;
}

方案二

使用宏定义, 开启宏定义使用我们的版本，不开启就使用系统的。可以方便debug。

内存泄漏检测使用malloc_hook/free_hook, 定位内存泄漏位置，使用__FILE__, __LINE__.

#define malloc(size) malloc_hook(size, __FILE__, __LINE__)

#define free(p) free_hook(p, __FILE__, __LINE__)

可以使用fclose，没有double free的问题了

#include 
#include 
#include 
 
void *malloc_hook(size_t size, const char *file, int line) {
 
    void *p = malloc(size);
 
    char buff[128] = {0};
    sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p);
 
    FILE *fp = fopen(buff, "w");
    fprintf(fp, "[+%s:%d]malloc --> addr:%p size:%lu\n", file, line, p, size);
    fflush(fp);
 
    fclose(fp);
 
    return p;
 
}
 
void free_hook(void *p,  const char *file, int line) {
 
    char buff[128] = {0};
    sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p);
 
    if (unlink(buff) < 0) {
        printf("double free: %p\n", p);
        return;
    }
 
    free(p);
 
}
 
#define malloc(size)   malloc_hook(size, __FILE__, __LINE__)
 
#define free(p)    free_hook(p, __FILE__, __LINE__)
 
 
// gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g
// addr2line -f -e  memleak_0  -a 0x4006d8
int main() {
 
 
    void *p1 = malloc(10);
    void *p2 = malloc(20);
 
    free(p1);
 
    void *p3 = malloc(30);   // memory leak
    void *p4 = malloc(40);
 
    free(p2);
    free(p4);
    free(p4); // double free
 
    return 0;
 
}

检测出两个问题，一次内存泄漏 p3，一次double free p4。结果OK。

方案三

使用malloc.h中提供的hook: __malloc_hook, __free_hook.

这两个hook，默认是malloc，free。

参考mtrace的做法，通过改变这两个值来进行检测。

#include 
#include 
#include 
#include 
 
typedef void *(*malloc_hoot_t)(size_t size, const void *caller);
malloc_hoot_t malloc_f;
 
typedef void (*free_hook_t)(void *p, const void *caller);
free_hook_t free_f;
 
void mem_trace(void);
void mem_untrace(void);
 
void *malloc_hook_f(size_t size, const void *caller) {
 
    mem_untrace();
    void *ptr = malloc(size);
    // printf("+%p: addr[%p]\n", caller, ptr);
    char buff[128] = {0};
    sprintf(buff, "./mem/%p.mem", ptr);
 
    FILE *fp = fopen(buff, "w");
    fprintf(fp, "[+%p]malloc --> addr:%p size:%lu\n", caller, ptr, size);
    fflush(fp);
 
    fclose(fp);
    
    mem_trace();
    return ptr;
 
}
 
void free_hook_f(void *p, const void *caller) {
    mem_untrace();
    // printf("-%p: addr[%p]\n", caller, p);
 
    char buff[128] = {0};
    sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p);
 
    if (unlink(buff) < 0) {
        printf("double free: %p\n", p);
    }
    
    free(p);
    mem_trace();
 
}
 
void mem_trace(void) {
 
    malloc_f = __malloc_hook;
    free_f = __free_hook;
 
    __malloc_hook = malloc_hook_f;
    __free_hook = free_hook_f;
}
 
void mem_untrace(void) {
 
    __malloc_hook = malloc_f;
    __free_hook = free_f;
 
}
 
 
// gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g
// addr2line -f -e  memleak_0  -a 0x4006d8
int main() {
 
    mem_trace();
    void *p1 = malloc(10);
    void *p2 = malloc(20);
 
    free(p1);
 
    void *p3 = malloc(30);
    void *p4 = malloc(40);
 
    free(p2);
    free(p4);
    mem_untrace();
 
    return 0;
 
}

方案四

使用mtrace

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
// gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g
// addr2line -f -e  memleak_0  -a 0x4006d8
int main() {
 
// export MALLOC_TRACE=./test.log
    mtrace();
    void *p1 = malloc(10);
    void *p2 = malloc(20);
 
    free(p1);
 
    void *p3 = malloc(30);
    void *p4 = malloc(40);
 
    free(p2);
    free(p4);
    muntrace();
 
#endif
    return 0;
 
}

方案五

使用dlsym对malloc，free进行hook。

#define _GNU_SOURCE
#include 
 
#include 
#include 
#include 
 
typedef void *(*malloc_t)(size_t size);
malloc_t malloc_f;
 
typedef void (*free_t)(void *p);
free_t free_f;
 
 
int enable_malloc_hook = 1;
 
int enable_free_hook = 1;
 
void *malloc(size_t size) {
 
    if (enable_malloc_hook) {
        enable_malloc_hook = 0;
 
        void *p = malloc_f(size);
 
        void *caller = __builtin_return_address(0);
 
        char buff[128] = {0};
        sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p);
 
        FILE *fp = fopen(buff, "w");
        fprintf(fp, "[+%p]malloc --> addr:%p size:%lu\n", caller, p, size);
        fflush(fp);
 
        enable_malloc_hook = 1;
        return p;
    } else {
 
        return malloc_f(size);
 
    }
    return NULL;
}
 
void free(void *p) {
 
    if (enable_free_hook) {
        enable_free_hook = 0;
        char buff[128] = {0};
        sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p);
 
        if (unlink(buff) < 0) {
            printf("double free: %p\n", p);
        }
 
        free_f(p);
 
 
        enable_free_hook = 1;
    } else {
        free_f(p);
    }
 
}
 
static int init_hook() {
 
    malloc_f = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc");
 
    free_f = dlsym(RTLD_NEXT, "free");
 
}
 
// gcc -o memleak_0 memleak_0.c -ldl -g
// addr2line -f -e  memleak_0  -a 0x4006d8
int main() {
 
    init_hook();
 
    void *p1 = malloc(10);
    void *p2 = malloc(20);
 
    free(p1);
 
    void *p3 = malloc(30);
    void *p4 = malloc(40);
 
    free(p2);
    free(p4);
 
    return 0;
 
}

共享内存

mmap方法1

匿名mmap

#include 
#include 
#include 
 
 
 
void *shm_mmap_alloc(int size) {
 
    void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, 
        MAP_ANON | MAP_SHARED, -1, 0);
    if (addr == MAP_FAILED) {
        return NULL;
    }
 
    return addr;
 
}
 
int shm_mmap_free(void *addr, int size) {
 
    return munmap(addr, size);
 
}
 
 
int main() {
 
    char *addr = (char *)shm_mmap_alloc(1024);
 
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // child
        int i = 0;
 
        while(i < 26) {
            addr[i] = 'a' + i++;
            addr[i] = '\0';
            sleep(1);
        }
    } else if (pid > 0) {
        int i = 0;
        while (i++ < 26) {
            printf("parent: %s\n", addr);
            sleep(1);
        }
    }
 
    shm_mmap_free(addr, 1024);
 
}

mmap方法2

/dev/zero

#include 
#include 
#include 
 
#include 
#include 
#include 
 
 
void *shm_mmap_alloc(int size) {
    int fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
 
    void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, 
        MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);
 
    if (addr == MAP_FAILED) {
        return NULL;
    }
 
    return addr;
 
}
 
int shm_mmap_free(void *addr, int size) {
 
    return munmap(addr, size);
 
}
 
 
int main() {
 
    char *addr = (char *)shm_mmap_alloc(1024);
 
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // child
        int i = 0;
 
        while(i < 26) {
            addr[i] = 'a' + i++;
            addr[i] = '\0';
            sleep(1);
        }
    } else if (pid > 0) {
        int i = 0;
        while (i++ < 26) {
            printf("parent: %s\n", addr);
            sleep(1);
        }
    }
 
    shm_mmap_free(addr, 1024);
 
}

shmget方法

#include 
#include 
#include 
 
#include 
#include 
#include 
 
#include 
#include 
 
 
void *shm_alloc(int size) {
  
    int segment_id = shmget(IPC_PRIVATE, size,
                        IPC_CREAT | IPC_EXCL | S_IRUSR | S_IWUSR);
    char *addr = (char *)shmat(segment_id, NULL, 0);
 
    return addr;
 
}
 
int shm_free(void *addr) {
 
    return shmdt(addr);
 
}
 
 
int main() {
 
    char *addr = (char *)shm_alloc(1024);
 
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // child
        int i = 0;
 
        while(i < 26) {
            addr[i] = 'a' + i++;
            addr[i] = '\0';
            sleep(1);
        }
    } else if (pid > 0) {
        int i = 0;
        while (i++ < 26) {
            printf("parent: %s\n", addr);
            sleep(1);
        }
    }
 
    shm_free(addr);
 
}

end

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