深入探秘：Linux内存管理与泄漏检测

TravisBytes

已于 2024-09-23 16:25:35 修改

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分类专栏：全栈异步阁核心组件库 Linux 文章标签： linux 算法缓存

于 2024-09-23 13:51:14 首次发布

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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

4.1. 创建一个动态链接库用于挂钩 malloc 和 free

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：

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：

预处理宏替换（通过宏定义替换 malloc 和 free）
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 0

void *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