如何通过wrap malloc定位C/C++程序的内存泄漏

用C/C++开发的程序执行效率很高，但却经常受到内存泄漏的困扰。本文提供一种通过wrap malloc查找memory leak的思路。

什么是内存泄漏?

动态申请的内存丢失引用，造成没有办法回收它(我知道杠jing要说进程退出前系统会统一回收)，这便是内存泄漏。

Java等编程语言会自动管理内存回收，而C/C++需要显式的释放，有很多手段可以避免内存泄漏，比如RAII，比如智能指针(大多基于引用计数计数)，比如内存池。

理论上，只要我们足够小心，在每次申请的时候，都牢记释放，那这个世界就清净了，但现实往往没有那么美好，比如抛异常了，释放内存的语句执行不到，又或者某菜鸟程序员不小心埋了一个雷，所以，我们必须直面真实的世界，那就是我们会遭遇内存泄漏。

怎么查内存泄漏?

我们可以review代码，但从海量代码里找到隐藏的问题，这如同大海捞针，往往两手空空。

所以，我们需要借助工具，比如valgrind，但这些找内存泄漏的工具，往往对你使用动态内存的方式有某种期待，或者说约束，比如常驻内存的对象会被误报出来，然后真正有用的信息会掩盖在误报的汪洋大海里。很多时候，甚至valgrind根本解决不了日常项目中的问题。

所以很多著名的开源项目，为了能用valgrind跑，都费大力气，大幅修改源代码，从而使得项目符合valgrind的要求，满足这些要求，用vargrind跑完没有任何报警的项目叫valgrind干净。

既然这些玩意儿都中看不中用，所以，求人不如求己，还是得自力更生。

什么是动态内存分配器?

动态内存分配器是介于kernel跟应用程序之间的一个函数库，glibc提供的动态内存分配器叫ptmalloc，它也是应用最广泛的动态内存分配器实现。

从kernel角度看，动态内存分配器属于应用程序层;而从应用程序的角度看，动态内存分配器属于系统层。

应用程序可以通过mmap系统直接向kernel申请动态内存，也可以通过动态内存分配器的malloc接口分配内存，而动态内存分配器会通过sbrk、mmap向kernel分配内存，所以应用程序通过free释放的内存，并不一定会真正返还给系统，它也有可能被动态内存分配器缓存起来。

google有自己的动态内存分配器tcmalloc，另外jemalloc也是著名的动态内存分配器，他们有不同的性能表现，也有不同的缓存和分配策略。你可以用它们替换linux系统glibc自带的ptmalloc。

new/delete跟malloc/free的关系

new是c++的用法，比如Foo *f = new Foo，其实它分为3步。

• 通过operator new()分配sizeof(Foo)的内存，最终通过malloc分配。
• 在新分配的内存上构建Foo对象。
• 返回新构建的对象地址。

new=分配内存+构造+返回，而delete则是等于析构+free。

所以搞定malloc、free就是从根本上搞定动态内存分配。

1. chunk

每次通过malloc返回的一块内存叫一个chunk，动态内存分配器是这样定义的，后面我们都这样称呼。

2. wrap malloc

gcc支持wrap，即通过传递-Wl,--wrap,malloc的方式，可以改变调用malloc的行为，把对malloc的调用链接到自定义的__wrap_malloc(size_t)函数，而我们可以在__wrap_malloc(size_t)函数的实现中通过__real_malloc(size_t)真正分配内存，而后我们可以做搞点小动作。

同样，我们可以wrap free。malloc跟free是配对的，当然也有其他相关API，比如calloc、realloc、valloc，但这根本上还是malloc+free，比如realloc就是malloc + free。

怎么去定位内存泄漏呢?

我们会malloc各种不同size的chunk，也就是每种不同size的chunk会有不同数量，如果我们能够跟踪每种size的chunk数量，那就可以知道哪种size的chunk在泄漏。很简单，如果该size的chunk数量一直在增长，那它很可能泄漏。

光知道某种size的chunk泄漏了还不够，我们得知道是哪个调用路径上导致该size的chunk被分配，从而去检查是不是正确释放了。

怎么跟踪到每种size的chunk数量?

我们可以维护一个全局 unsigned int malloc_map[1024 * 1024]数组，该数组的下标就是chunk的size，malloc_map[size]的值就对应到该size的chunk分配量。

这等于维护了一个chunk size到chunk count的映射表，它足够快，而且它可以覆盖到0 ~ 1M大小的chunk的范围，它已经足够大了，试想一次分配一兆的块已经很恐怖了，可以覆盖到大部分场景。

那大于1M的块怎么办呢?我们可以通过log记录下来。

• 在__wrap_malloc里，++malloc_map[size]
• 在__wrap_free里，--malloc_map[size]

很简单，我们通过malloc_map记录了各size的chunk的分配量。

如何知道释放的chunk的size?

不对，free(void *p)只有一个参数，我如何知道释放的chunk的size呢?怎么办?

我们通过在__wrap_malloc(size_t)的时候，分配8+size的chunk，也就是多分配8字节，开始的8字节存储该chunk的size，然后返回的是(char*)chunk + 8，也就是偏移8个字节返回给调用malloc的应用程序。

这样在free的时候，传入参数void* p，我们把p往前移动8个字节，解引用就能得到该chunk的大小，而该大小值就是前一步，在__wrap_malloc的时候设置的size。

好了，我们真正做到记录各size的chunk数量了，它就存在于malloc_map[1M]的数组中，假设64个字节的chunk一直在被分配，数量一直在增长，我们觉得该size的chunk很有可能泄漏，那怎么定位到是哪里调用过来的呢?

如何记录调用链?

我们可以维护一个toplist数组，该数组假设有10个元素，它保存的是chunk数最大的10种size，这个很容易做到，通过对malloc_map取top 10就行。

然后我们在__wrap_malloc(size_t)里，测试该size是不是toplist之一，如果是的话，那我们通过glibc的backtrace把调用堆栈dump到log文件里去。

注意：这里不能再分配内存，所以你只能使用backtrace，而不能使用backtrace_symbols，这样你只能得到调用堆栈的符号地址，而不是符号名。

如何把符号地址转换成符号名，也就是对应到代码行呢?

addr2line

addr2line工具可以做到，你可以追查到调用链，进而定位到内存泄漏的问题。

至此，你已经get到了整个核心思想。

当然，实际项目中，我们做的更多，我们不仅仅记录了toplist size，还记录了各size chunk的增量toplist，会记录大块的malloc/free，会wrap更多的API。

总结一下：通过wrap malloc/free + backtrace + addr2line，你就可以定位到内存泄漏了。

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