聊一聊 Valgrind 監視非託管記憶體洩露和崩潰

一線碼農發表於2023-05-05
記憶體洩露

一：背景

1. 講故事

只要是程式總會出現各種莫名其妙的問題，比如：非託管記憶體洩露，程式崩潰，在 Windows 平臺上一般用微軟自家的官方工具 App Verifier 就可以洞察，那問題出在 Linux 上怎麼辦呢？由於 Linux 崇尚自由，需要在各種牛鬼蛇神寫的非官方開源軟體中尋找一個比較靠譜的，比如本篇所說的 Valgrind。

個人感覺 Valgrind 和 App Verifer 定位是差不多的，技術上前者使用 hook 鉤子，後者使用模擬cpu，有點像 windbg 的 TTD 除錯，具體資訊參考：https://valgrind.org/

二：Valgrind 記憶體洞察

1. 安裝

如果你用的是 ubuntu，可以用 apt-get 直接安裝，方便快捷，目前最新的版本是 3.15.0 。


root@skyfly-virtual-machine:/home/skyfly/Desktop# apt-get install valgrind
Reading package lists... Done
Building dependency tree       
Reading state information... Done
valgrind is already the newest version (1:3.15.0-1ubuntu9.1).
0 upgraded, 0 newly installed, 0 to remove and 23 not upgraded.

root@skyfly-virtual-machine:/home/skyfly/Desktop# valgrind --version
valgrind-3.15.0

2. 記憶體洩露洞察

記憶體洩露大多是 new/delete , malloc/free 不匹配造成的，接下來寫一個不匹配的 malloc/free 觀察下。


#include <iostream>
#include <stdio.h>

using namespace std;

int main(void)
{
    int *p = (int *)malloc(4);
    *p = 10;
    
    printf("p=%d", *p);

    return EXIT_SUCCESS;
}

這裡使用 vscode 進行編譯，怎麼編譯就不說了，參見上一篇，接下來用 algrind --leak-check=full ./main.out 以模擬的方式把程式跑起來，截圖如下：

從圖中的 HEAP SUMMARY 區域可以看到，當前有 3 個 malloc，但只有 2 個 free，而且還找到了那個沒有 free 的 malloc，在程式碼的 main.cpp:8 行，即 int *p = (int *)malloc(4); 處。

3. 棧溢位洞察

相信經常寫遞迴的朋友總會遇到這類問題，為了方便演示，我故意實現一個 棧上溢 的例子吧。


#include <iostream>
#include <stdio.h>

using namespace std;

int main(void)
{
    int num = 10;
    int *ptr = &num;

    ptr -= 0x40;
    *ptr = 15;

    return EXIT_SUCCESS;
}

從圖中可以清晰的看到，主執行緒棧上的地址 0x1ffefffd5c 無法寫入，還指出了在 main.cpp:12 行，即 *ptr = 15; 處。

為了方便驗證，這裡用 g++ 除錯的方式洞察一下。


-exec p num
$5 = 10

-exec x ptr
0x7fffffffde2c:	0xf7fb0e9800007fff

-exec info reg
...
rbp            0x7fffffffdf40      0x7fffffffdf40
rsp            0x7fffffffdf20      0x7fffffffdf20
...

從輸出看，ptr 已經逃出了 rsp ~ rbp 範圍之內，很明顯上溢了，如果用 x 命令觀察的話，可以看到裡面的內容就很隨機，在 windbg 中用以 ??? 來表示的。


-exec x ptr
0x7fffffffde2c:	0xf7fb0e9800007fff

-exec x 0xf7fb0e9800007fff
0xf7fb0e9800007fff:	Cannot access memory at address 0xf7fb0e9800007fff

除了觀察 rsp，rbp，還可以看虛擬地址中的 stack 空間。


-exec i proc mapping
process 8327
Mapped address spaces:

          Start Addr           End Addr       Size     Offset objfile
      ...
	  0x7ffff7ffd000     0x7ffff7ffe000     0x1000    0x2d000 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
      0x7ffff7ffe000     0x7ffff7fff000     0x1000        0x0 
      0x7ffffffde000     0x7ffffffff000    0x21000        0x0 [stack]

4. 陣列越界洞察

valgrind 這玩意也有弱雞的時候，比如陣列越界之類的問題它就搞不定，比如下面的程式碼：


#include <iostream>
#include <stdio.h>

using namespace std;

int main(void)
{
    int num[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int num2[10];

    num[6] = 15;

    return EXIT_SUCCESS;
}

透過下面的彙編程式碼觀察，可以看到目前分配了 0x30 = 0n48 byte 的棧空間，截圖如下：

雖然 num[6] 是越界操作，但是在合理的 棧空間 內，這種仿生cpu的方式洞察不出來，App Verifier 這種 hook 的方式是沒有問題的。

接下來用 valgrind 嘗試一下，可以看到果然沒發現任何問題，輸出如下：


skyfly@skyfly-virtual-machine:~/code$ valgrind ./main.out
==10244== Memcheck, a memory error detector
==10244== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==10244== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==10244== Command: ./main.out
==10244== 
==10244== 
==10244== HEAP SUMMARY:
==10244==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==10244==   total heap usage: 1 allocs, 1 frees, 72,704 bytes allocated
==10244== 
==10244== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==10244== 
==10244== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
==10244== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 0 from 0)

三：總結

總的來說，Valgrind 在洞察記憶體方面還是非常強大的，但也有它不能觸及到的地方，熟悉它的優點和缺點，全面瞭解對我們除錯師來說至關重要，希望本篇對你有幫助。

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