使用AddressSanitizer搭配addr2line查找C/C++内存泄漏问题

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前言

指针是C/C++程序中的利器，同时也引入了风险，现代C++中增加了智能指针来降低使用“裸”指针带来的风险，但是智能指针不是一颗银弹，它不能解决所有的指针问题，内存泄漏在C/C++程序开发中依旧是值得注意的，学会合理、合适的方法来查找内存泄漏问题也是一项有用的技能。

通常内存泄漏问题会在开发到一定程度时集中检查，一些检测方法长时间不去使用难免会忘记，所以本文记录一种自己常用的检测方法，方便日后查阅。

AddressSanitizer

AddressSanitizer 是什么东西呢？从名字上直接翻译叫“地址消毒剂”，其实就是用来检查地址问题的。

它是一款地址问题检测工具，简称 ASAN，开源项目主地址为 google/sanitizers，是众多检测工具AddressSanitizer, MemorySanitizer, ThreadSanitizer, LeakSanitizer 中的一款，功能非常强大，可以检测出栈上缓冲区溢出、堆上缓冲区溢出、引用已释放内存、内存泄漏等多种地址问题。

今天想记录的是使用 AddressSanitizer 检测内存泄漏的步骤，其实检测内存泄漏的功能目前已经被基本独立成了 LeakSanitizer，不过仍可以通过在 AddressSanitizer 工具中通过参数来开启和关闭使用。

检测步骤

其实使用 ASAN 检测内存泄漏还是比较简单的，g++4.8 以上的版本自带了 ASAN 工具，只要编译时指定好参数，编译完成后正常启动运行程序就可以了，只不过有些情况下只从检测报告中无法准确定位问题，需要借助一些工具进一步缩小检测范围。

泄漏发生在可执行程序本身

这种情况检测起来比较容易，编写如下测试代码：

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//test.cpp

#include <iostream>

void func()
{
    int* p = new int(); // 内存泄漏的位置
    p = nullptr;
}

int main()
{
    func();
    std::cout << "test leak" << std::endl;
    return 0;
}

使用g++进行编译，编译时添加参数 -fsanitize=leak 就可以了，启动后可以清晰的展示出内存泄漏的位置 test.cpp:5，也就是 test.cpp 文件的第5行。

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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ g++ test.cpp -g -o test --std=c++11 -fsanitize=leak
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ./test
test leak

=================================================================
==344==ERROR: LeakSanitizer: detected memory leaks

Direct leak of 4 byte(s) in 1 object(s) allocated from:
    #0 0x7fc7d796d815 in operator new(unsigned long) (/usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0+0xd815)
    #1 0x400967 in func() /mnt/d/data/cpp/testleak/test.cpp:5
    #2 0x400985 in main /mnt/d/data/cpp/testleak/test.cpp:11
    #3 0x7fc7d722083f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2083f)

SUMMARY: LeakSanitizer: 4 byte(s) leaked in 1 allocation(s).
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$

这里有个小意外，将 int* p = new int(); 这句代码改成 int* p = new int[10]; 可以检测出内存泄漏如下：

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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ g++ test.cpp -fsanitize=leak -g -o test --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ./test
test leak

=================================================================
==416==ERROR: LeakSanitizer: detected memory leaks

Direct leak of 400 byte(s) in 1 object(s) allocated from:
    #0 0x7fdc0c16d975 in operator new[](unsigned long) (/usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0+0xd975)
    #1 0x400967 in func() /mnt/d/data/cpp/testleak/test.cpp:5
    #2 0x40097f in main /mnt/d/data/cpp/testleak/test.cpp:11
    #3 0x7fdc0ba2083f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2083f)

SUMMARY: LeakSanitizer: 400 byte(s) leaked in 1 allocation(s).
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$

但是将 int* p = new int(); 这句代码改成 int* p = new int[1024]; 就无法检测是内存泄漏了，只能修改编译选项为 -fsanitize=address 才能检测出泄漏，目前还不知道真正的原因是什么。

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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ g++ test.cpp -fsanitize=address -g -o test --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ./test
test leak

=================================================================
==432==ERROR: LeakSanitizer: detected memory leaks

Direct leak of 4096 byte(s) in 1 object(s) allocated from:
    #0 0x7f1d42b296b2 in operator new[](unsigned long) (/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libasan.so.2+0x996b2)
    #1 0x400b27 in func() /mnt/d/data/cpp/testleak/test.cpp:5
    #2 0x400b3f in main /mnt/d/data/cpp/testleak/test.cpp:11
    #3 0x7f1d4235083f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2083f)

SUMMARY: AddressSanitizer: 4096 byte(s) leaked in 1 allocation(s).
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$

泄漏发生在编译所需动态库中

如果内存泄漏发生在编译时使用的动态库中，那么这和上一种情况基本一致，可以直接编译后运行就能发现，测试代码如下

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// myadd.h

int add(int a, int b);
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// myadd.cpp

#include "myadd.h"

int add(int a, int b)
{
    int* p = new int(); // 内存泄漏的位置
    return a + b;
}
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// test.cpp

#include "myadd.h"
#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "519 + 1 = " << add(519, 1) << std::endl;
    return 0;
}

添加编译选项 -fsanitize=leak 编译后运行，也可以直接显示出内存泄漏的位置，内存泄漏在 libmyadd.so 动态库中的 add 函数中。

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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ g++ -shared -fPIC -o libmyadd.so myadd.cpp
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ g++ test3.cpp -L. -lmyadd -o test -Wl,-rpath=. -fsanitize=leak
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ./test
519 + 1 = 520

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==493==ERROR: LeakSanitizer: detected memory leaks

Direct leak of 4 byte(s) in 1 object(s) allocated from:
    #0 0x7ff1aff6d815 in operator new(unsigned long) (/usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0+0xd815)
    #1 0x7ff1afd506b7 in add(int, int) (libmyadd.so+0x6b7)
    #2 0x4009cd in main (/mnt/d/data/cpp/testleak/test+0x4009cd)
    #3 0x7ff1af61083f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2083f)

SUMMARY: LeakSanitizer: 4 byte(s) leaked in 1 allocation(s).
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$

泄漏发生在自定义加载的动态库中

这种情况要想精确定位问题就麻烦一些了，下面是用来测试的代码

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// myadd.h

extern "C" int add(int a, int b);
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// myadd.cpp

#include "myadd.h"

extern "C" int add(int a, int b)
{
    int* p = new int(); // 内存泄漏的位置
    return a + b;
}
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// test.cpp

#include "myadd.h"
#include <dlfcn.h>
#include <iostream>

typedef int (*FUNC)(int a,int b);

int main() {
    void* handle = dlopen("./libmyadd.so", RTLD_LAZY);
    FUNC myadd = (FUNC)dlsym(handle,"add");

    int nVal = 0;
    std::cin >> nVal;
    std::cout << "519 + 1 = " << myadd(519, 1) << ", input:" << nVal << std::endl;

    dlclose(handle);
    return 0;
}

添加编译选项 -fsanitize=leak 编译后运行，输入数字618，程序运行结束，显示内存泄漏出现在 0x7fc88f0f06b7 (<unknown module>)

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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ g++ -shared -fPIC -o libmyadd.so myadd.cpp -g
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ g++ test.cpp -ldl -o test -Wl,-rpath=. -g -fsanitize=leak
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ./test
618
519 + 1 = 520, input:618

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==817==ERROR: LeakSanitizer: detected memory leaks

Direct leak of 4 byte(s) in 1 object(s) allocated from:
    #0 0x7fc89076d815 in operator new(unsigned long) (/usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0+0xd815)
    #1 0x7fc88f0f06b7  (<unknown module>)
    #2 0x400bc2 in main (/mnt/d/data/cpp/testleak/test+0x400bc2)
    #3 0x7fc88fe1083f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2083f)

SUMMARY: LeakSanitizer: 4 byte(s) leaked in 1 allocation(s).
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$

unknown module

当使用 dlopen 的方式加载的动态库时，产生的内存泄漏常显示为 (<unknown module>)，那是因为内存检测工具在程序退出时分析泄漏情况，而这时自定义加载的动态库往往已经手动调用 dlclose 关闭了，这时就会显示成 0x7fc88f0f06b7 (<unknown module>) 的显示。

maps

针对于出现 (<unknown module>) 的这种情况，可以通过查询 /proc/pid/maps 来辅助查询，maps 文件显示进程映射后的内存区域和访问权限，是程序正在运行时的信息，数据格式如下：

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7f8c7adb6000-7f8c7adba000 rw-p 00000000 00:00 0
7f8c7adc0000-7f8c7af32000 r-xp 00000000 00:00 189413             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f8c7af32000-7f8c7af3f000 ---p 00172000 00:00 189413             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f8c7af3f000-7f8c7b132000 ---p 0017f000 00:00 189413             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f8c7b132000-7f8c7b13c000 r--p 00172000 00:00 189413             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f8c7b13c000-7f8c7b13e000 rw-p 0017c000 00:00 189413             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f8c7b13e000-7f8c7b142000 rw-p 00000000 00:00 0
7f8c7b150000-7f8c7b153000 r-xp 00000000 00:00 243909             /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.23.so
7f8c7b153000-7f8c7b154000 ---p 00003000 00:00 243909             /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.23.so
7f8c7b154000-7f8c7b352000 ---p 00004000 00:00 243909             /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.23.so
7f8c7b352000-7f8c7b353000 r--p 00002000 00:00 243909             /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.23.so
7f8c7b353000-7f8c7b354000 rw-p 00003000 00:00 243909             /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.23.so
7f8c7b360000-7f8c7b39f000 r-xp 00000000 00:00 247365             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0.0.0
7f8c7b39f000-7f8c7b3a2000 ---p 0003f000 00:00 247365             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0.0.0
7f8c7b3a2000-7f8c7b59e000 ---p 00042000 00:00 247365             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0.0.0
7f8c7b59e000-7f8c7b5a0000 r--p 0003e000 00:00 247365             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0.0.0
7f8c7b5a0000-7f8c7b5a1000 rw-p 00040000 00:00 247365             /usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0.0.0
7f8c7b5a1000-7f8c7c1f4000 rw-p 00000000 00:00 0
7f8c7c200000-7f8c7c225000 r-xp 00000000 00:00 243945             /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7f8c7c225000-7f8c7c226000 r-xp 00025000 00:00 243945             /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
  • 第一列：7f8c7b360000-7f8c7b39f000，表示本段内存映射的虚拟地址空间范围。
  • 第二列：r-xp，表示此段虚拟地址空间的属性。r表示可读，w表示可写，x表示可执行，p和s共用一个字段，互斥关系，p表示私有段，s表示共享段，-表示没有权限。
  • 第三列：00000000，表示映射偏移。对有名映射，表示此段虚拟内存起始地址在文件中以页为单位的偏移。对匿名映射，它等于0或者vm_start/PAGE_SIZE。
  • 第四列：00:00，表示映射文件所属设备号。对有名映射来说，是映射的文件所在设备的设备号，对匿名映射来说，因为没有文件在磁盘上，所以没有设备号，始终为00:00。
  • 第五列：247365，表示映射文件所属节点号。对有名映射来说，是映射的文件的节点号。对匿名映射来说，因为没有文件在磁盘上，所以没有节点号，始终为0。
    第六列：/usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0.0.0，表示映射文件名或堆、栈。对匿名映射来说，是此段虚拟内存在进程中的角色。[stack]表示在进程中作为栈使用，[heap]表示堆。对有名来说，是映射的文件名。其余情况则无显示。

7f8c7b360000-7f8c7b39f000 r-xp 00000000 00:00 247365 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0.0.0

这一行就展示了 liblsan.so 这个动态库映射的内存中位置和权限情况，liblsan.so 也就是 ASAN 工具用来检测内存泄漏的工具所依赖的动态库。

具体操作

  1. 启动一个终端，然后运行 test 程序，因为程序中要求从控制台读取一个变量，所以运行后程序会一直停留在控制台等待输入
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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ./test
  1. 重新打开一个终端，查询 test 程序的进程id，然后拷贝对应的 maps 文件
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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ps -ef | grep test
albert     986   889  0 21:42 pts/0    00:00:00 ./test
albert     988   953  0 21:42 pts/1    00:00:00 grep --color=auto test
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ cp /proc/986/maps testmaps
  1. 在第一个终端中输入数字，程序运行结束，显示出内存泄漏信息
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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ ./test

# 以下为新的信息，输入了515

515
519 + 1 = 520, input:515

=================================================================
==986==ERROR: LeakSanitizer: detected memory leaks

Direct leak of 4 byte(s) in 1 object(s) allocated from:
    #0 0x7f8c7b36d815 in operator new(unsigned long) (/usr/lib/x86_64-linux-gnu/liblsan.so.0+0xd815)
    #1 0x7f8c79cf06b7  (<unknown module>)
    #2 0x400bc2 in main (/mnt/d/data/cpp/testleak/test+0x400bc2)
    #3 0x7f8c7aa1083f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2083f)

SUMMARY: LeakSanitizer: 4 byte(s) leaked in 1 allocation(s).
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$
  1. 从检测报告中看到 0x7f8c79cf06b7 (<unknown module>)，在备份的 testmaps 文件中查找范围，发现处于下面一段之中
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640000000000-640000003000 rw-p 00000000 00:00 0
7f8c79cf0000-7f8c79cf1000 r-xp 00000000 00:00 282                /mnt/d/data/cpp/testleak/libmyadd.so
7f8c79cf1000-7f8c79cf2000 ---p 00001000 00:00 282                /mnt/d/data/cpp/testleak/libmyadd.so
7f8c79cf2000-7f8c79ef0000 ---p 00002000 00:00 282                /mnt/d/data/cpp/testleak/libmyadd.so
7f8c79ef0000-7f8c79ef1000 r--p 00000000 00:00 282                /mnt/d/data/cpp/testleak/libmyadd.so
7f8c79ef1000-7f8c79ef2000 rw-p 00001000 00:00 282                /mnt/d/data/cpp/testleak/libmyadd.so
7f8c79f00000-7f8c7a000000 rw-p 00000000 00:00 0
  1. 至此发现问题出现在 libmyadd.so 这个动态库中，再用 0x7f8c79cf06b7 减去动态链接库基地址 7f8c79cf0000，得到偏移量为 0x6b7，此时使用 addr2line 工具进行转化。
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albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testleak$ addr2line  -C -f -e /mnt/d/data/cpp/testleak/libmyadd.so 0x6b7
add
/mnt/d/data/cpp/testleak/myadd.cpp:4
  1. 至此就找到了内存泄漏的确切位置，在/mnt/d/data/cpp/testleak/myadd.cpp文件第4行的 add 函数之中。

总结

  • 在 C++11 之后尽可能使用智能指针来管理在堆上申请的内存，shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr 能帮我们减少许多麻烦
  • 想要检测程序内存用用问题， AddressSanitizer 是一个不错的选择，其中有关内存泄漏的检测已经被整合到 LeakSanitizer 工具中
  • 当程序中的内存泄漏发生在 dlopen 加载的动态库中时，常常出现 (<unknown module>) 的情况，这时需要借助 proc/pid/maps 文件和 addr2line 工具来完成精确定位。
==>> 反爬链接，请勿点击，原地爆炸，概不负责！<<==

祝融落地。一百年了，还没有什么事情是做不到的，我们需要的是时间，我等着看你们在真正的力量面前瑟瑟发抖~

2021-5-16 00:08:24

Albert Shi wechat
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