聊一聊 Valgrind 监视非托管内存泄露和崩溃

一：背景

1. 讲故事

只要是程序总会出现各种莫名其妙的问题，比如：非托管内存泄露，程序崩溃，在 Windows 平台上一般用微软自家的官方工具 App Verifier 就可以洞察，那问题出在 Linux 上怎么办呢？由于 Linux 崇尚自由，需要在各种牛鬼蛇神写的非官方开源软件中寻找一个比较靠谱的，比如本篇所说的 Valgrind。

个人感觉 Valgrind 和 App Verifer 定位是差不多的，技术上前者使用 hook 钩子，后者使用仿真cpu，有点像 windbg 的 TTD 调试，具体信息参考：https://valgrind.org/

二：Valgrind 内存洞察

1. 安装

如果你用的是 ubuntu，可以用 apt-get 直接安装，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. 内存泄露洞察

内存泄露大多是 new/delete , malloc/free 不匹配造成的，接下来写一个不匹配的 malloc/free 观察下。

#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;
}

这里使用 vscode 进行编译，怎么编译就不说了，参见上一篇，接下来用 algrind --leak-check=full ./main.out 以仿真的方式把程序跑起来，截图如下：

从图中的 HEAP SUMMARY 区域可以看到，当前有 3 个 malloc，但只有 2 个 free，而且还找到了那个没有 free 的 malloc，在代码的 main.cpp:8 行，即 int *p = (int *)malloc(4); 处。

3. 栈溢出洞察

相信经常写递归的朋友总会遇到这类问题，为了方便演示，我故意实现一个 栈上溢 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;
}

从图中可以清晰的看到，主线程栈上的地址 0x1ffefffd5c 无法写入，还指出了在 main.cpp:12 行，即 *ptr = 15; 处。

为了方便验证，这里用 g++ 调试的方式洞察一下。

-exec p num
$5 = 10

-exec x ptr
0x7fffffffde2c:	0xf7fb0e9800007fff

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

从输出看，ptr 已经逃出了 rsp ~ rbp 范围之内，很明显上溢了，如果用 x 命令观察的话，可以看到里面的内容就很随机，在 windbg 中用以 ??? 来表示的。

-exec x ptr
0x7fffffffde2c:	0xf7fb0e9800007fff

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

除了观察 rsp，rbp，还可以看虚拟地址中的 stack 空间。

-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. 数组越界洞察

valgrind 这玩意也有弱鸡的时候，比如数组越界之类的问题它就搞不定，比如下面的代码：

#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;
}

通过下面的汇编代码观察，可以看到目前分配了 0x30 = 0n48 byte 的栈空间，截图如下：

虽然 num[6] 是越界操作，但是在合理的 栈空间 内，这种仿生cpu的方式洞察不出来，App Verifier 这种 hook 的方式是没有问题的。

接下来用 valgrind 尝试一下，可以看到果然没发现任何问题，输出如下：

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：总结

总的来说，Valgrind 在洞察内存方面还是非常强大的，但也有它不能触及到的地方，熟悉它的优点和缺点，全面了解对我们调试师来说至关重要，希望本篇对你有帮助。