linux服务器开发—手写内存泄漏检测组件
来源：良许Linux教程网
2025-01-09 10:15:31
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学习知识要善于思考，思考，再思考！今天golang学习网小编就给大家带来《linux服务器开发—手写内存泄漏检测组件》，以下内容主要包含等知识点，如果你正在学习或准备学习文章，就都不要错过本文啦~让我们一起来看看吧，能帮助到你就更好了！
内存泄漏是在不带有垃圾回收（Garbage Collection）机制的语言中，如C/C++，经常出现的问题。由于缺乏垃圾回收，程序员需要自行管理分配的内存并进行释放。内存泄漏的根本原因在于程序未能释放申请的内存。
{
void *p1 = malloc(10);
void *p2 = malloc(20);
free(p1);
}
上述代码片段中，申请了两块内存p1和p2，但只释放了p1，而未释放p2，导致了内存泄漏。
内存泄漏可能会导致以下后果：
随着程序运行时间的增长，未释放的内存会逐渐累积，导致进程堆中的可用内存越来越少，最终耗尽。这将导致后续的运行时代码无法成功分配所需的内存空间。
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) 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) 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) 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) 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 'a' + i++;
addr[i] = '\0';
sleep(1);
}
} else if (pid > 0) {
int i = 0;
while (i++ 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 'a' + i++;
addr[i] = '\0';
sleep(1);
}
} else if (pid > 0) {
int i = 0;
while (i++ 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 'a' + i++;
addr[i] = '\0';
sleep(1);
}
} else if (pid > 0) {
int i = 0;
while (i++ printf("parent: %s\n", addr);
sleep(1);
}
}
shm_free(addr);
}
到这里，我们也就讲完了《linux服务器开发—手写内存泄漏检测组件》的内容了。个人认为，基础知识的学习和巩固，是为了更好的将其运用到项目中，欢迎关注golang学习网公众号，带你了解更多关于Linux,Linux系统,Shell脚本,Linux命令,linux入门,linux教程,linux学习,嵌入式Linux的知识点！
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