深入探秘：Linux内存管理与泄漏检测

目录

1. 朋友，了解一下Linux的内存工作原理吧！

1.1. 这张图展示的是一个Linux进程的虚拟内存结构

2. 内存分配与回收：让你的程序跑得更稳健

2.1. 内存分配与内存泄漏

3. 内存泄漏检测代码分析

3.1. 预处理宏替换方法

3.2. 动态链接库挂钩方法

3.3. 代码具体解析

4. 动态链接库挂钩的具体操作

4.1. 创建一个动态链接库用于挂钩 malloc 和 free

4.2. 编写主程序

4.3. 运行程序并加载挂钩库

5. 两种方法的综合比较

6. 总结与建议

1. 朋友，了解一下Linux的内存工作原理吧！

朋友，你有没有遇到过这样的情况？你的Linux程序运行得挺顺利，但突然间发现内存占用飙升，系统变得卡顿，甚至有时候还会崩溃？别担心，今天我们就来聊聊Linux内存的工作原理，以及如何管理和监控内存，防止那些讨厌的内存泄漏。听起来有点复杂？别急，我会用最简单的方式，帮你把这些概念搞清楚。

1.1. 这张图展示的是一个Linux进程的虚拟内存结构

首先，让我们看看一个Linux进程的虚拟内存结构。内存被划分为多个区域，每个区域都有不同的用途。从下到上依次是：

  1. 代码段 (.text)：

    • 这里保存了程序的可执行代码。当程序加载时，代码从磁盘读入并开始执行。
    • 所有进程共享相同的代码，通常是只读的，确保了代码的安全性和一致性。

  2. 已初始化数据段 (.data)：

    • 这个区域存放已初始化的全局变量和静态变量。
    • 比如说，你在程序中定义的全局数组或静态计数器，就会被存放在这里。

  3. 未初始化数据段 (.bss)：

    • 这里保存未初始化的全局变量和静态变量，初始值为0。
    • 运行时会动态分配内存给这些变量，确保它们在使用前被正确初始化。

  4. 运行时堆 (heap)：

    • 堆区是用来动态分配内存的地方。每当你调用 malloc、calloc 或 realloc 时，内存就会从这里分配出来。
    • brk 指向堆的顶部，随着堆的扩展而增长。
    • 内存泄漏问题通常发生在这里。如果程序分配了内存却没有正确释放，堆区会不断增大，导致内存资源浪费。

  5. 共享库的内存映射区域：

    • 这个区域用来存放共享库（比如 .so 文件）的内存映射。
    • 多个进程可以共享相同的内存区域，节省了系统资源。

  6. 用户栈 (stack)：

    • 栈区用来存储函数调用时的局部变量和函数参数。
    • 每次函数调用都会在栈中压入一个新的帧，函数返回时弹出这个帧。
    • 栈是从高地址向低地址增长的，内存分配是自动的，由系统管理。

  7. 物理内存、内核代码和数据：

    • 这是系统保留的区域，包括物理内存和与进程相关的数据结构（如页表、任务描述符等）。
    • 这些区域对用户进程是不可见的，确保了系统的稳定性和安全性。

  8. 内核虚拟内存：

    • 这个区域保存了与内核相关的虚拟内存，供系统操作使用。
    • 它与用户空间是分离的，保证了内核操作的高效和安全。

2. 内存分配与回收：让你的程序跑得更稳健

内存分配与回收是程序运行过程中至关重要的部分。合理的内存管理不仅能提升程序的性能，还能防止那些讨厌的内存泄漏问题。让我们来看看内存分配与回收的基本流程吧！

2.1. 内存分配与内存泄漏

堆区是内存分配的核心。程序员可以通过调用 malloc、calloc 或 realloc 等函数，动态地分配和释放内存。然而，问题就出在这里——如果分配了内存却没有释放，或者在程序退出时忘记释放内存，这就会导致内存泄漏。

内存泄漏的危害：

  • 内存堆逐渐增大：未释放的内存会让堆区不断膨胀，系统的可用内存减少。
  • 性能下降：内存资源被浪费，程序运行效率降低。
  • 系统崩溃：长时间运行的程序可能耗尽系统内存，导致程序或整个系统崩溃。

相比之下，栈区的内存分配是自动的，由系统管理。每次函数调用时分配内存，函数返回时自动释放。因此，栈区不会出现内存泄漏的问题。但要注意，栈溢出也是一个潜在的问题，尤其是在递归调用过多的情况下。

3. 内存泄漏检测代码分析

要确保你的程序不会出现内存泄漏，检测和监控内存的分配与释放是必不可少的。代码实现了两种内存监控方式，帮助我们检测内存泄漏：

  1. 预处理宏替换（通过宏定义替换 malloc 和 free）
  2. 动态链接库挂钩（通过 dlsym 挂钩 malloc 和 free）

让我们一起来看看这两种方法是如何工作的，以及它们各自的优缺点。

3.1. 预处理宏替换方法

实现原理：

通过预处理宏，将代码中的 malloc 和 free 函数替换为自定义的 nMalloc 和 nFree 函数。这种方法在编译阶段完成替换，所有对 malloc 和 free 的调用都会被替换为带有额外参数（如文件名、函数名、行号）的自定义函数。

代码片段：

#if 0void *nMalloc(size_t size, const char *filename, const char *funcname, int line) {void *ptr = malloc(size);char buff[128] = {0};snprintf(buff, 128, "./block/%p.mem", ptr);FILE* fp = fopen(buff, "w");if (!fp) {free(ptr);return NULL;}fprintf(fp, "[+][%s:%s:%d] %p: %ld malloc\n", filename, funcname, line, ptr, size);fflush(fp);fclose(fp);return ptr;
}void nFree(void *ptr, const char *filename, const char *funcname, int line) {char buff[128] = {0};snprintf(buff, 128, "./block/%p.mem", ptr);if (unlink(buff) < 0) { // 文件不存在printf("double free: %p at %s:%s:%d\n", ptr, filename, funcname, line);return;}return free(ptr);
}#define malloc(size) nMalloc(size, __FILE__, __func__, __LINE__)
#define free(ptr)     nFree(ptr, __FILE__, __func__, __LINE__)#endif

工作流程：

  1. 替换调用：

    • 所有代码中的 malloc(size) 被替换为 nMalloc(size, __FILE__, __func__, __LINE__)。
    • 所有代码中的 free(ptr) 被替换为 nFree(ptr, __FILE__, __func__, __LINE__)。

  2. 记录分配：

    • nMalloc 调用原始的 malloc 分配内存。
    • 创建一个以指针地址命名的文件（例如 ./block/0x7f8c8b.mem），记录分配信息（包括文件名、函数名、行号、指针地址和分配大小）。

  3. 记录释放：

    • nFree 尝试删除对应的 .mem 文件。
    • 如果文件不存在，说明可能存在双重释放或释放未分配的内存，输出警告信息。

  4. 内存泄漏检测：

    • 程序结束后，检查 ./block/ 目录中是否存在未删除的 .mem 文件，这些文件对应未释放的内存块，表示存在内存泄漏。

优缺点：

  • 优点：

    • 实现简单，易于理解和维护。
    • 能够在编译时捕获内存分配和释放的调用，记录详细的源代码位置信息，有助于定位内存泄漏的源头。

  • 缺点：

    • 需要修改源码，并且在所有使用 malloc 和 free 的地方生效。
    • 无法监控通过第三方库分配的内存，因为这些库的代码不会被预处理宏替换。
    • 性能开销较大，频繁的文件操作会显著降低程序的运行效率。
    • 不适用于多线程环境，缺乏线程安全机制。
3.2. 动态链接库挂钩方法

实现原理：

利用动态链接库的特性，通过 dlsym 函数获取原始的 malloc 和 free 地址，重定义这两个函数，实现函数挂钩（Hooking）。这种方法不需要修改源代码，可以在运行时拦截所有对 malloc 和 free 的调用，包括第三方库。

代码片段：

// 钩子函数部分typedef void *(*malloc_t)(size_t size);
typedef void (*free_t)(void *ptr);malloc_t malloc_f = NULL;
free_t free_f = NULL;int enable_malloc = 1;
int enable_free = 1;// 将地址转换为符号
void *TranslateToSymbol(void *addr) {Dl_info info;struct link_map *link;dladdr1(addr, &info, (void *)&link, RTLD_DL_LINKMAP);return (void *)(addr - link->l_addr);
}// 重定义 malloc
void *malloc(size_t size) {if (!malloc_f) {malloc_f = (malloc_t)dlsym(RTLD_NEXT, "malloc");}void *ptr = NULL;if (enable_malloc) {enable_malloc = 0;ptr = malloc_f(size);void *caller = __builtin_return_address(0);char buff[128] = {0};snprintf(buff, 128, "./block/%p.mem", ptr);FILE* fp = fopen(buff, "w");if (!fp) {free_f(ptr);return NULL;}fprintf(fp, "[+][%p] %p: %ld malloc\n", TranslateToSymbol(caller), ptr, size);fflush(fp);enable_malloc = 1;} else {ptr = malloc_f(size);}return ptr;
}// 重定义 free
void free(void *ptr) {if (!free_f) {free_f = (free_t)dlsym(RTLD_NEXT, "free");}char buff[128] = {0};snprintf(buff, 128, "./block/%p.mem", ptr);if (unlink(buff) < 0) { // 文件不存在printf("double free or invalid free: %p\n", ptr);return;}return free_f(ptr);
}

工作流程：

  1. 获取原始函数地址：

    • 使用 dlsym(RTLD_NEXT, "malloc") 获取原始的 malloc 函数地址，并存储在 malloc_f 中。
    • 使用 dlsym(RTLD_NEXT, "free") 获取原始的 free 函数地址，并存储在 free_f 中。
    • RTLD_NEXT 确保获取的是下一个符号，即原始的标准库函数，避免递归调用。

  2. 重定义 malloc：

    • 在重定义的 malloc 函数中，调用原始的 malloc 分配内存。
    • 获取调用者的返回地址 caller，通过 __builtin_return_address(0) 实现。
    • 使用 TranslateToSymbol 将调用地址转换为符号地址，便于定位调用源。
    • 创建一个以指针地址命名的 .mem 文件，记录分配信息（包括调用符号、指针地址和分配大小）。

  3. 重定义 free：

    • 在重定义的 free 函数中，尝试删除对应的 .mem 文件。
    • 如果文件不存在，说明可能存在双重释放或释放未分配的内存，输出警告信息。
    • 如果文件存在，调用原始的 free 释放内存。

  4. 内存泄漏检测：

    • 程序运行结束后，检查 ./block/ 目录中是否存在未删除的 .mem 文件，这些文件对应未释放的内存块，表示存在内存泄漏。

优缺点：

  • 优点：

    • 无侵入性：无需修改源代码，通过动态链接库即可拦截所有对 malloc 和 free 的调用，包括第三方库。
    • 全面性：能够监控整个进程中的内存分配和释放，覆盖所有模块。
    • 灵活性：可以在运行时启用或禁用监控，适用于多种运行环境。

  • 缺点：

    • 复杂性：实现较为复杂，需要处理函数挂钩、符号解析等问题。
    • 性能开销：同样存在频繁的文件操作带来的性能影响，尤其是在高频率的内存分配和释放场景下。
    • 多线程安全：当前实现缺乏线程同步机制，在多线程环境中可能出现竞态条件，导致数据不一致或文件操作错误。
    • 错误处理：对一些异常情况（如内存分配失败、文件操作失败等）的处理较为简单，可能需要更健壮的错误处理机制。
3.3. 代码具体解析

让我们深入了解一下代码中的关键部分，看看这些函数是如何协同工作的。

#define _GNU_SOURCE
#include <dlfcn.h>
#include <link.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>// #define malloc(size) nMalloc(size, __FILE__, __func__, __LINE__)
// #define free(ptr)     nFree(ptr, __FILE__, __func__, __LINE__)// 预处理宏替换部分（被 #if 0 包含，未启用）#if 0
// ...预处理宏替换的实现...
#else
// 动态链接库挂钩部分typedef void *(*malloc_t)(size_t size);
typedef void (*free_t)(void *ptr);malloc_t malloc_f = NULL;
free_t free_f = NULL;int enable_malloc = 1;
int enable_free = 1;// 将地址转换为符号
void *TranslateToSymbol(void *addr) {Dl_info info;struct link_map *link;dladdr1(addr, &info, (void *)&link, RTLD_DL_LINKMAP);return (void *)(addr - link->l_addr);
}// 重定义 malloc
void *malloc(size_t size) {if (!malloc_f) {malloc_f = (malloc_t)dlsym(RTLD_NEXT, "malloc");}void *ptr = NULL;if (enable_malloc) {enable_malloc = 0;ptr = malloc_f(size);void *caller = __builtin_return_address(0);char buff[128] = {0};snprintf(buff, 128, "./block/%p.mem", ptr);FILE* fp = fopen(buff, "w");if (!fp) {malloc_f(ptr); // 应该使用 malloc_f 而不是 free_freturn NULL;}fprintf(fp, "[+][%p] %p: %ld malloc\n", TranslateToSymbol(caller), ptr, size);fflush(fp);enable_malloc = 1;} else {ptr = malloc_f(size);}return ptr;
}// 重定义 free
void free(void *ptr) {if (!free_f) {free_f = (free_t)dlsym(RTLD_NEXT, "free");}char buff[128] = {0};snprintf(buff, 128, "./block/%p.mem", ptr);if (unlink(buff) < 0) { // 文件不存在printf("double free or invalid free: %p\n", ptr);return;}return free_f(ptr);
}#endifint main() {size_t size = 5;void *p1 = malloc(size);void *p2 = malloc(size * 2);void *p3 = malloc(size * 3);free(p1);free(p3);
}

关键部分解析：

  1. 宏定义部分：

    • #if 0 包含了预处理宏替换的方法，该部分代码被禁用。
    • #else 部分启用了动态链接库挂钩的方法。

  2. 函数指针定义：

    • 定义了函数指针 malloc_f 和 free_f，用于存储原始的 malloc 和 free 函数地址。

  3. TranslateToSymbol 函数：

    • 使用 dladdr1 将调用地址转换为符号地址，以便记录调用源。
    • dladdr1 返回包含符号信息的 Dl_info 结构和链接映射 link_map。

  4. 重定义 malloc 函数：

    • 检查 malloc_f 是否已初始化，若未初始化，则使用 dlsym 获取原始的 malloc 函数地址。
    • 使用 __builtin_return_address(0) 获取调用者的返回地址。
    • 调用原始的 malloc 分配内存。
    • 创建一个以指针地址命名的 .mem 文件，记录分配信息（调用符号、指针地址、分配大小）。
    • 通过 enable_malloc 标志防止递归调用 malloc（因为 fopen 可能内部调用 malloc）。

  5. 重定义 free 函数：

    • 检查 free_f 是否已初始化，若未初始化，则使用 dlsym 获取原始的 free 函数地址。
    • 尝试删除对应的 .mem 文件。
    • 如果文件不存在，输出双重释放或无效释放的警告。
    • 调用原始的 free 释放内存。

  6. 主函数：

    • 分配了三块内存 p1、p2、p3，并释放了 p1 和 p3。
    • 运行结束后，./block/ 目录中应存在 p2 对应的 .mem 文件，提示内存泄漏。

4. 动态链接库挂钩的具体操作

为了更清晰地理解“无需修改源码，只需在运行时加载自定义的动态链接库”，让我们通过一个实际的例子来说明。

4.1. 创建一个动态链接库用于挂钩 malloc 和 free

文件名：memhook.c

#define _GNU_SOURCE
#include <dlfcn.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>// 定义函数指针类型
typedef void *(*malloc_t)(size_t size);
typedef void (*free_t)(void *ptr);// 存储原始函数地址
malloc_t original_malloc = NULL;
free_t original_free = NULL;// 重定义 malloc
void *malloc(size_t size) {if (!original_malloc) {original_malloc = (malloc_t)dlsym(RTLD_NEXT, "malloc");if (!original_malloc) {fprintf(stderr, "Error in `dlsym`: %s\n", dlerror());exit(EXIT_FAILURE);}}void *ptr = original_malloc(size);printf("malloc(%zu) = %p\n", size, ptr); // 监控输出return ptr;
}// 重定义 free
void free(void *ptr) {if (!original_free) {original_free = (free_t)dlsym(RTLD_NEXT, "free");if (!original_free) {fprintf(stderr, "Error in `dlsym`: %s\n", dlerror());exit(EXIT_FAILURE);}}printf("free(%p)\n", ptr); // 监控输出original_free(ptr);
}

编译动态链接库：

gcc -shared -fPIC -o memhook.so memhook.c -ldl
4.2. 编写主程序

文件名：main.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>int main() {size_t size1 = 10;size_t size2 = 20;void *p1 = malloc(size1);void *p2 = malloc(size2);free(p1);free(p2);return 0;
}

编译主程序：

gcc -o main main.c
4.3. 运行程序并加载挂钩库

使用 LD_PRELOAD 加载挂钩库：

LD_PRELOAD=./memhook.so ./main

输出：

malloc(10) = 0x55f8d6b0e2a0
malloc(20) = 0x55f8d6b0e2c0
free(0x55f8d6b0e2a0)
free(0x55f8d6b0e2c0)

运行时加载动态链接库是指在程序启动或运行过程中，通过操作系统的动态链接机制加载额外的库文件，这些库文件可以覆盖或扩展现有的函数实现。

  • LD_PRELOAD 环境变量：
    • 这是一个在程序启动时告诉动态链接器（ld.so）优先加载某些动态链接库的机制。
    • 当你设置 LD_PRELOAD=./memhook.so 时，memhook.so 中的函数会被优先加载和绑定。
    • 如果 memhook.so 中定义了与标准库相同的函数（如 malloc 和 free），它们会覆盖标准库中的实现。

操作步骤：

  1. 编写并编译动态链接库：包含你想要挂钩的函数实现。
  2. 使用 LD_PRELOAD：在运行程序时，通过环境变量指定要预加载的动态链接库。
  3. 程序运行时：动态链接器按顺序加载库，优先加载 LD_PRELOAD 指定的库，从而拦截和替换标准库函数。

5. 两种方法的综合比较

让我们来做一个小对比，看看预处理宏替换方法和动态链接库挂钩方法各自的特点：

特性预处理宏替换方法动态链接库挂钩方法
实现方式编译时通过宏替换 malloc 和 free运行时通过动态链接库挂钩 malloc 和 free
代码侵入性需要修改源码，所有 malloc 和 free 调用都被替换无需修改源码，适用于现有二进制文件
覆盖范围仅覆盖被宏替换的代码，无法监控第三方库全局覆盖，监控所有 malloc 和 free 调用
性能开销高，频繁的文件操作和宏替换带来的开销高，同样存在频繁的文件操作带来的开销
多线程支持缺乏线程安全机制缺乏线程安全机制
灵活性需要重新编译代码，灵活性较低高，可以在不修改源码的情况下进行监控
易用性实现相对简单，但需要源码支持实现较为复杂，但不需要源码支持
错误处理简单，依赖文件系统操作复杂，需要处理动态链接库的相关问题
扩展性受限于宏定义的功能更易扩展，可以添加更多的监控逻辑

6. 总结与建议

通过今天的分享，我们深入了解了Linux内存的工作原理、内存分配与回收的基本流程，以及如何通过两种不同的方法来检测内存泄漏。每种方法都有其独特的优势和不足，关键在于根据你的具体需求来选择最合适的方案。

综合建议：

  1. 根据需求选择方法：

    • 如果你需要详细追踪特定模块或源码级的内存操作，且能够修改源码，预处理宏替换方法是一个不错的选择。
    • 如果你需要对整个进程进行全面监控，且无法修改源码，动态链接库挂钩方法更为适合。

  2. 优化实现：

    • 减少文件操作的频率：采用内存数据结构记录内存分配和释放信息，提升性能。
    • 引入线程同步机制：确保在多线程环境下的安全性，避免竞态条件。
    • 自动生成内存泄漏报告：在程序结束时自动扫描未释放的内存块，生成详细的报告，提升使用体验。

  3. 结合使用成熟工具：

    • Valgrind、AddressSanitizer 等成熟的内存检测工具功能更强大，经过广泛验证，能够提供更准确和全面的内存分析报告。
    • 在开发和测试阶段，结合使用这些工具，可以大大提升内存管理的准确性和效率，帮助你更快地定位和解决内存问题。

  4. 代码维护与扩展：

    • 确保代码的可维护性：处理各种异常情况，提升监控系统的稳定性和可靠性。
    • 逐步扩展监控功能：如记录内存分配堆栈、统计内存使用量等，根据实际需求，逐步增强监控系统的功能。

 参考：

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昆明理工大学MBA工商管理上课方式

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--昆工MBA考研、管理与经济学院、125100工商管理、125602项目管理、199管理类综合能力、F009 政治、F008政治项目管理概论
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有关在.Net Core中以TEXT类型将Json格式字段存到数据库的学习

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导言 在写个值日接口时发现值日表中的值日时段是可以分多段的&#xff0c;想了想可以使用Json类型来存&#xff0c;不过之前没接触过在后端操作Json格式存到数据库的情况&#xff0c;之后学也了解到了一下方法来实现&#xff0c;故记录一下。 过程 从前端到后端再到数据库的 JS…
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千亿大数据平台——MySQL大数据优化

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一、自增量的作用 1. 唯一性标识 - 为表中的每一行数据提供一个唯一的、自动生成的标识符&#xff0c;确保数据的唯一性和准确性。 2. 简化数据关联 - 在多个表之间进行关联操作时&#xff0c;自增量字段可以作为便捷的关联键&#xff0c;方便建立和维护表之间的关系…
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