一、内存泄漏概述
1.1 什么是内存泄漏
内存泄漏是在没有自动 gc 的编程语言里面，经常发生的一个问题。
自动垃圾回收（Automatic Garbage Collection，简称 GC）是一种内存管理技术，在程序运行时自动检测和回收不再使用的内存对象，以避免内存泄漏和释放已分配内存的负担。
因为没有 gc，所以分配的内存需要程序员自己调用释放。其核心原因是调用分配与释放没有符合开闭原则，没有配对，形成了有分配，没有释放的指针，从而产生了内存泄漏。
void func(size_t s1) { void p1=malloc(s1); void p2=malloc(s1); free(p1); }
以上代码段，分配了两个s1大小的内存块，由 p1 与 p2 指向。而代码块执行完以后，释放了 p1，而 p2 没有释放。形成了有分配没有释放的指针，产生了内存泄漏。
1.2 内存泄漏导致的后果
随着工程代码量越来越多，有分配没有释放，自然会使得进程堆的内存会越来越少，直到耗尽。从而导致后面的运行时代码不能成功分配内存，使程序奔溃。
1.3 内存泄漏解决思路
最好的办法肯定是引入自动垃圾回收gc。但是这不适合C/C++语言。
解决内存泄漏，我们需要解决两点：
1）能够检测出来是否发送内存泄漏
2）如果发生内存泄漏，能够检测出来具体是哪一行代码所引起的。
内存泄漏是由于内存分配与内存释放，不匹配所引起的。因此对内存分配函数malloc/calloc/realloc，以及内存释放函数free进行“劫持”hook，就能能够统计出内存分配的位
置，内存释放的位置，从而判断是否匹配。
二、宏定义方法
2.1 宏定义
使用宏定义，替换系统的内存分配接口。并利用__FILE__、__LINE__分别获取当前编译文件的文件名、行号，进行追踪位置信息。
#define malloc(size) _malloc(size, __FILE__, __LINE__) #define free(ptr) _free(ptr, __FILE__, __LINE__)
需要注意的是，宏定义一定要放在内存分配之前，这样预编译阶段才会替换为我们自己实现的_malloc和_free。
2.2 检测位置
为了方便观察，我们可以在内存分配_malloc的时候，创建一个文件。文件名为指向新分配内存的指针值，文件内容为指针值、调用_malloc时的文件名、行号。
在该内存释放_free的时候，删除该指针对应的文件。
最后，程序运行结束，如果没有文件说明没有内存泄漏，否则说明存在内存泄漏。
2.3 结果分析
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> void *_malloc(size_t size, const char *filename, int line){ void *ptr = malloc(size); char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); FILE *fp = fopen(buffer, "w"); fprintf(fp, "[+]addr: %p, filename: %s, line: %d\n", ptr, filename, line); fflush(fp); fclose(fp); return ptr; } void _free(void *ptr, const char *filename, int line){ char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); if (unlink(buffer) < 0){ printf("double free: %p\n", ptr); return; } return free(ptr); } #define malloc(size) _malloc(size, __FILE__, __LINE__) #define free(ptr) _free(ptr, __FILE__, __LINE__) int main() { void *p1 = malloc(5); void *p2 = malloc(18); void *p3 = malloc(15); free(p1); free(p3); }
最后在memory文件夹里，可以看到存在一个文件，说明有一个地方出现内存泄漏
[+]addr: 0x559e55b6e8b0, filename: fun1.c, line: 39
从结果上看，内存泄漏发生第39行。
三、hook方法
利用 hook 机制改写系统的内存分配函数。
3.1 hook
hook方法的实现分三个步骤
1）定义函数指针。
typedef void *(*malloc_t)(size_t size); malloc_t malloc_f = NULL; typedef void (*free_t)(void *ptr); free_t free_f = NULL;
2）函数实现，函数名与目标函数名一致。
void *malloc(size_t size) { //改写的功能 } void free(void *ptr) { //改写的功能 }
3）初始化hook，调用dlsym()。
void init_hook(){ if (!malloc_f){ malloc_f = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); } if (!free_f){ free_f = dlsym(RTLD_NEXT, "free"); } }
3.2 检测位置
宏定义的方法在检测调用所在行号的时候使用了系统定义的__LINE__，因为是宏定义的malloc，预编译时候直接嵌入。因此__LINE__返回的就是调用malloc的位置。
但是hook方法不一样，系统定义的__LINE__在函数内部调用，无法确定在主函数中的调用位置。比如
fprintf(fp, "[+]addr: %p, filename: %s, line: %d\n", ptr, filename, line);
返回的就是fprintf所在的行号。
因此使用gcc 提供的__builtin_return_address，该函数返回当前函数或其调用者之一的返回地址。 参数level 表示向上扫描调用堆栈的帧数。比如对于 main --> f1() --> f2() --> f3() ，f3()函数里面调用 __builtin_return_address (0)，返回f3的地址；调用 __builtin_return_address (1)，返回f2的地址；
3.3 递归调用
hook的时候，要考虑其他函数也用到所hook住的函数，比如在printf()函数里面也调用了malloc，那么就需要防止内部递归进入死循环。
通过gdb调试，在第23行打断点，发现每次运行都回到了23行。
这是因为sprintf隐含调用了malloc，这样就陷入一个循环：
23行的sprintf —> 自定义的malloc —> 23行的sprintf —> 自定义的malloc --> 23行的sprintf —> 自定义的malloc --> ……
解决办法是，限制调用次数。当进入 malloc 函数内部后，根据自己的需要，设置 hook 的开关。在关闭的区域内调用 malloc 后进入到 else 部分执行原来的 hook 函数，避免了无限递归的发生。
int enable_malloc_hook = 1; void *malloc(size_t size) { // 执行改写的 malloc 函数 if (enable_malloc_hook) { enable_malloc_hook = 0; // 关闭 hook, printf 内部的 malloc 执行 else 的部分 // 其他代码 enable_malloc_hook = 1; } // 执行原来的 malloc 函数 else { p = malloc_f(size); } }
3.4 结果分析
// gcc -o fun2 fun2.c -ldl -g #define _GNU_SOURCE #include <dlfcn.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <link.h> typedef void *(*malloc_t)(size_t size); malloc_t malloc_f = NULL; typedef void (*free_t)(void *ptr); free_t free_f = NULL; int enable_malloc_hook = 1; int enable_free_hook = 1; void *malloc(size_t size){ void *ptr = NULL; if (enable_malloc_hook ){ enable_malloc_hook = 0; enable_free_hook = 0; ptr = malloc_f(size); void *caller = __builtin_return_address(0); char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); FILE *fp = fopen(buffer, "w"); fprintf(fp, "[+] caller: %p, addr: %p, size: %ld\n", caller, ptr, size); fflush(fp); fclose(fp); enable_malloc_hook = 1; enable_free_hook = 1; } else { ptr = malloc_f(size); } return ptr; } void free(void *ptr){ if (enable_free_hook ){ enable_free_hook = 0; enable_malloc_hook = 0; char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); if (unlink(buffer) < 0){ printf("double free: %p\n", ptr); return; } free_f(ptr); enable_malloc_hook = 1; enable_free_hook = 1; } else { free_f(ptr); } } void init_hook(){ if (!malloc_f){ malloc_f = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); } if (!free_f){ free_f = dlsym(RTLD_NEXT, "free"); } } int main(){ init_hook(); void *p1 = malloc(5); void *p2 = malloc(18); void *p3 = malloc(15); free(p1); free(p3); }
从结果看存在一个内存泄漏，但是 caller：0x16bb 是地址，不是具体行号。使用addr2line可以将地址转换为文件名和行号。
3.5 addr2line
利用addr2line工具，将地址转换为文件名和行号，得到源文件的行数（根据机器码地址定位到源码所在行数)
addr2line -f -e fun2 -a 0x16bb
参数：
-f：显示函数名信息。
-e filename：指定需要转换地址的可执行文件名。
-a address：显示指定地址（十六进制）。
但是，高版本 gcc 下使用 addr2line 命令会出现乱码问题。
?? ??:0
addr2line 作用于 ELF 可执行文件，而高版本的 gcc 调用 __builtin_return_address返回的地址 caller 位于内存映像上，所以会产生乱码。
解决办法是利用动态链接库的dladdr函数 ，作用于共享目标，可以获取某个地址的符号信息。使用该函数可以解析符号地址
// gcc -o fun2 fun2.c -ldl -g #define _GNU_SOURCE #include <dlfcn.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <link.h> // 解析地址 void* converToELF(void *addr) { Dl_info info; struct link_map *link; dladdr1(addr, &info, (void **)&link, RTLD_DL_LINKMAP); // printf("%p\n", (void *)(size_t)addr - link->l_addr); return (void *)((size_t)addr - link->l_addr); } typedef void *(*malloc_t)(size_t size); malloc_t malloc_f = NULL; typedef void (*free_t)(void *ptr); free_t free_f = NULL; int enable_malloc_hook = 1; int enable_free_hook = 1; void *malloc(size_t size){ void *ptr = NULL; if (enable_malloc_hook ){ enable_malloc_hook = 0; ptr = malloc_f(size); void *caller = __builtin_return_address(0); char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); FILE *fp = fopen(buffer, "w"); // converToELF(caller) fprintf(fp, "[+] caller: %p, addr: %p, size: %ld\n", converToELF(caller), ptr, size); fflush(fp); fclose(fp); enable_malloc_hook = 1; } else { ptr = malloc_f(size); } return ptr; } void free(void *ptr){ if (enable_free_hook ){ enable_free_hook = 0; char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); if (unlink(buffer) < 0){ printf("double free: %p\n", ptr); return; } free_f(ptr); enable_free_hook = 1; } else { free_f(ptr); } } void init_hook(){ if (!malloc_f){ malloc_f = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); } if (!free_f){ free_f = dlsym(RTLD_NEXT, "free"); } } int main(){ init_hook(); void *p1 = malloc(5); void *p2 = malloc(18); void *p3 = malloc(15); free(p1); free(p3); }
四、__libc_malloc 和 __libc_free
思路和hook的一样，因为malloc和free底层调用的也是__libc_malloc和__libc_free。
// gcc -o fun3 fun3.c #define _GNU_SOURCE #include <dlfcn.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <link.h> void* converToELF(void *addr) { Dl_info info; struct link_map *link; dladdr1(addr, &info, (void **)&link, RTLD_DL_LINKMAP); // printf("%p\n", (void *)(size_t)addr - link->l_addr); return (void *)((size_t)addr - link->l_addr); } extern void *__libc_malloc(size_t size); extern void *__libc_free(void *ptr); int enable_malloc_hook = 1; int enable_free_hook = 1; void *malloc(size_t size){ void *ptr = NULL; if (enable_malloc_hook ){ enable_malloc_hook = 0; enable_free_hook = 0; ptr = __libc_malloc(size); void *caller = __builtin_return_address(0); char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); FILE *fp = fopen(buffer, "w"); fprintf(fp, "[+] caller: %p, addr: %p, size: %ld\n", converToELF(caller), ptr, size); fflush(fp); fclose(fp); enable_malloc_hook = 1; enable_free_hook = 1; } else { ptr = __libc_malloc(size); } return ptr; } void free(void *ptr){ if (enable_free_hook ){ enable_free_hook = 0; enable_malloc_hook = 0; char buffer[128] = {0}; sprintf(buffer, "./memory/%p.memory", ptr); if (unlink(buffer) < 0){ printf("double free: %p\n", ptr); return; } __libc_free(ptr); enable_malloc_hook = 1; enable_free_hook = 1; } else { __libc_free(ptr); } } int main(){ void *p1 = malloc(5); void *p2 = malloc(18); void *p3 = malloc(15); free(p1); free(p3); }
