1 概述

Valgrind可以有效地监测处大多数内存问题,你肯定忍不住会想,既然c/c++的内存问题这么常见,为什么不在编译器中加入内存问题检测的功能呢? 很可惜,GCC中还目前还不支持内存检测,可喜的是,clang支持。这里我们看看如何用clang发现内存问题

2 clang

clang 是一个C、C++、Objective-C编程语言的编译器前端。它采用了底层虚拟机作为其后端。它的目标是提供一个GNU编译器套装(GCC)的替代品, 作者是克里斯·拉特纳,在苹果公司的赞助下进行开发。

3 内存泄漏监测

AddressSanitizer是clang中的一个内存错误检测器,它可以检测到以下问题:

  • Out-of-bounds accesses to heap, stack and globals
  • Use-after-free
  • Use-after-return (to some extent)
  • Double-free, invalid free
  • Memory leaks (experimental)

使用clang编译代码时用-fsanitize=address就能打开AddressSanitizer工具,为了在检测到内存错误时打印出您的程序调用栈,需要在编译时加上选项 -fno-omit-frame-pointer选项,同时为了得出更清晰的调用栈信息,请用-O1选项编译程序。

4 示例代码

下面我用clang3.4做一个示例

 1:  int main()
2: {
3: char *p = malloc(sizeof(char) * 10);
4: if (p == NULL) {
5: return 0;
6: }
7:
8: struct elem *e = malloc(sizeof(struct elem));
9: if (e == NULL) {
10: free(p);
11: return 0;
12: }
13:
14: e->a = 10;
15: e->b = 10.10;
16: e->c = p;
17:
18: double *xx = &e->b;
19:
20: printf("%f\n", *xx);
21:
22: free(e);
23:
24: printf("%f\n", *xx);
25:
26: return 0;
27: }

上面的代码中有两处问题,一是p未被释放,导致了内存泄漏;二是xx指向了一块被释放了的内存。我们看看怎么用clang检测这两个问题

4.1 编译它

1:  clang -O1 -g -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer -o core core.c

4.2 用AddressSanitizer监测进程的内存泄漏

直接运行core文件,它就会自动打印出检测到的内存错误

 1:  [cobbliu@kftest25 test]$ ./core
2: 10.100000
3: =================================================================
4: ==11254==ERROR: AddressSanitizer: heap-use-after-free on address 0x60300000efe8 at pc 0x48211a bp 0x7fff2c776450 sp 0x7fff2c776448
5: READ of size 8 at 0x60300000efe8 thread T0
6: #0 0x482119 in main /home/cobbliu/test/core.c:35
7: #1 0x36a101ecdc in __libc_start_main (/lib64/libc.so.6+0x36a101ecdc)
8: #2 0x481f3c in _start (/home/cobbliu/test/core+0x481f3c)
9:
10: 0x60300000efe8 is located 8 bytes inside of 24-byte region [0x60300000efe0,0x60300000eff8)
11: freed by thread T0 here:
12: #0 0x46bca9 in __interceptor_free /home/ads/build23_6u0_x64/workspace/t-coresystem-clang/label/build23_6u0_x64/t-coresystem-clang/llvm-3.4/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_malloc_linux.cc:64
13: #1 0x4820c0 in main /home/cobbliu/test/core.c:32
14: #2 0x36a101ecdc in __libc_start_main (/lib64/libc.so.6+0x36a101ecdc)
15:
16: previously allocated by thread T0 here:
17: #0 0x46be29 in malloc /home/ads/build23_6u0_x64/workspace/t-coresystem-clang/label/build23_6u0_x64/t-coresystem-clang/llvm-3.4/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_malloc_linux.cc:74
18: #1 0x48202a in main /home/cobbliu/test/core.c:18
19: #2 0x36a101ecdc in __libc_start_main (/lib64/libc.so.6+0x36a101ecdc)
20:
21: SUMMARY: AddressSanitizer: heap-use-after-free /home/cobbliu/test/core.c:35 main
22: Shadow bytes around the buggy address:
23: 0x0c067fff9da0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
24: 0x0c067fff9db0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
25: 0x0c067fff9dc0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
26: 0x0c067fff9dd0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
27: 0x0c067fff9de0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
28: =>0x0c067fff9df0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fd[fd]fd fa
29: 0x0c067fff9e00: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
30: 0x0c067fff9e10: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
31: 0x0c067fff9e20: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
32: 0x0c067fff9e30: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
33: 0x0c067fff9e40: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
34: Shadow byte legend (one shadow byte represents 8 application bytes):
35: Addressable: 00
36: Partially addressable: 01 02 03 04 05 06 07
37: Heap left redzone: fa
38: Heap right redzone: fb
39: Freed heap region: fd
40: Stack left redzone: f1
41: Stack mid redzone: f2
42: Stack right redzone: f3
43: Stack partial redzone: f4
44: Stack after return: f5
45: Stack use after scope: f8
46: Global redzone: f9
47: Global init order: f6
48: Poisoned by user: f7
49: ASan internal: fe
50: ==11254==ABORTING

可以看到,程序在提示core.c的第35行有个heap-use-after-free的错误,而且在最后还有个summary,把出错的代码位置和相应的栈信息打了出来。

5 示例代码2

上面的代码做一些小修改,我们看看它对double-free问题的检测

1:  /...
2: struct elem *e2 = e;
3: free(e);
4: free(e2);
5: /...
6: }

按照上面相同的方法编译并运行后,提示信息如下:

 1:  [cobbliu@kftest25 test]$ ./core
2: 10.100000
3: =================================================================
4: ==11952==ERROR: AddressSanitizer: attempting double-free on 0x60300000efe0 in thread T0:
5: #0 0x46bca9 in __interceptor_free /home/ads/build23_6u0_x64/workspace/t-coresystem-clang/label/build23_6u0_x64/t-coresystem-clang/llvm-3.4/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_malloc_linux.cc:64
6: #1 0x4820bd in main /home/cobbliu/test/core.c:34
7: #2 0x36a101ecdc in __libc_start_main (/lib64/libc.so.6+0x36a101ecdc)
8: #3 0x481f3c in _start (/home/cobbliu/test/core+0x481f3c)
9:
10: 0x60300000efe0 is located 0 bytes inside of 24-byte region [0x60300000efe0,0x60300000eff8)
11: freed by thread T0 here:
12: #0 0x46bca9 in __interceptor_free /home/ads/build23_6u0_x64/workspace/t-coresystem-clang/label/build23_6u0_x64/t-coresystem-clang/llvm-3.4/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_malloc_linux.cc:64
13: #1 0x4820b0 in main /home/cobbliu/test/core.c:33
14: #2 0x36a101ecdc in __libc_start_main (/lib64/libc.so.6+0x36a101ecdc)
15:
16: previously allocated by thread T0 here:
17: #0 0x46be29 in malloc /home/ads/build23_6u0_x64/workspace/t-coresystem-clang/label/build23_6u0_x64/t-coresystem-clang/llvm-3.4/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_malloc_linux.cc:74
18: #1 0x482026 in main /home/cobbliu/test/core.c:18
19: #2 0x36a101ecdc in __libc_start_main (/lib64/libc.so.6+0x36a101ecdc)
20:
21: SUMMARY: AddressSanitizer: double-free /home/ads/build23_6u0_x64/workspace/t-coresystem-clang/label/build23_6u0_x64/t-coresystem-clang/llvm-3.4/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_malloc_linux.cc:64 __interceptor_free
22: ==11952==ABORTING

可以看到,AddressSanitizer报错,说core.c的34行有一个double-free的错误

6 示例代码3

上面的代码做一些小修改,把释放e的代码注释掉,看看它对内存泄漏的检测

1:  /...
2: //free(e);
3: /...
4: }

按照上面相同的方法编译并运行后,提示信息如下:

1:  [cobbliu@kftest25 test]$ ./core
2: 10.100000

可以看到,对内存泄漏,AddressSanitizer无法检测出来 clang中有一个工具叫LeakSanitizer,它的设计目标是用来检测内存泄漏。直到3.7版,LeakSanitizer也是在实验阶段。

7 AddressSanitizer的缺陷

  • AddressSanitizer工具编译的程序的堆栈和栈占用比原生程序的大。
  • AddressSanitizer不支持静态编译

更新:gcc4.8版本之后,有了对AddressSanitizer的支持!

Date: 2015-04-16T21:24+0800

Author: Cobbliu

Org version 7.9.3f with Emacs version 24

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