程序持续内存泄漏问题定位参考

0 概括

本文用于记录 x86-Linux 应用程序发生持续性内存泄漏问题时的定位方法。主要介绍valgrind工具的应用。

1 原理

对于内存泄漏问题的定位，一种朴素的想法就是对内存申请点进行监控。对于一个内存申请调用点（例如c/c++中的malloc函数），记录下该调用点被触发时的调用栈$callstack$，以及申请到的内存$memory$。同一个调用栈可能申请多次内存，我们把申请到的内存都记录下来，于是我们得到了一个统计表，表中元素长这样： ( c a l l s t a c k i , { m e m o r y i 1 , m e m o r y i 2 , . . . } ) (callstack_i,\{memory_{i}^{1},memory_{i}^{2},...\}) (callstacki​,{memoryi1​,memoryi2​,...})。当$memor{y}_i^j$内存被释放（例如c/c++中的free函数），则把统计表中的$memor{y}_i^j$项删除即可。如此一来，当程序结束，依旧持有$memory$的那些$callstack$就可以认为是潜在的内存泄漏点。

上述的朴素想法，ASAN工具已经帮我们实现。本文讨论更特殊的场景，对ASAN工具的使用不再赘述。在程序持续运行，持续内存泄漏的场景中，我们需要对上述朴素想法做一点点改变。在$timestamp$时刻，我们记录一下该时刻的统计表 ( c a l l s t a c k i , { m e m o r y i 1 , m e m o r y i 2 , . . . } ) (callstack_i,\{memory_{i}^{1},memory_{i}^{2},...\}) (callstacki​,{memoryi1​,memoryi2​,...})。随程序的运行，我们便得到了一张随时间变化的统计表 [ t i m e s t a m p , { ( c a l l s t a c k i , { m e m o r y i 1 , m e m o r y i 2 , . . . } } ) ] [timestamp, \{(callstack_i,\{memory_{i}^{1},memory_{i}^{2},...\}\})] [timestamp,{(callstacki​,{memoryi1​,memoryi2​,...}})]。某一时刻的统计表我们称之为一个内存切片。如此一来，当我们观测到一个$callstac{k}_i$的内存持有量随时间不断增加，则可以识别该点为潜在的内存泄漏点。这种内存切片的想法，valgrind工具已经帮我们实现。

2 valgrind工具的使用

本文不详细介绍valgrind工具，只通过简单案例介绍如何使用valgrind工具形成内存切片图。

x86-Linux服务器环境，先执行以下命令安装valgrind工具。

sudo apt install valgrind
sudo apt install massif-visualizer

再给出一个持续运行持续内存泄漏的简单范例main.cpp。

#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <string>

void sleepMs(int milliseconds) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(milliseconds));
}

int main(int /*argc*/, char** /*argv*/) {
    std::vecotr<std::string> vec;
    
    while(true) {
    	// 新增10个数据
	    for (size_t i = 0; i < 10U; i++) {
	    	vec.push_back(std::string(1000000, 'A'));
	    	sleepMs(100);
	    }
	    // 释放9个数据
	    for (size_t j = 0; j < 9U; j++) {
	    	vec.pop_back();
	    	sleepMs(100);
	    }
    }
    return 0;
}    

对应的编译命令为g++ -g -o exe main.cpp。

接下来使用valgrind运行这个程序，生成内存切片。对应的命令为

valgrind --tool=massif --time-unit=B ./exe

运行一段时间后，ctrl+c结束程序，就生成了对应的内存切片文件massif.out.<pid>。使用可视化工具打开这个内存切片文件，效果如下。

可以看到调用点持有的内存量随时间的变化，还可以看到不同时刻，各调用栈持有的内存量。至此可以协助我们分析持续性的内存泄漏。

3 结论

本文记录持续内存泄漏问题的一种定位方法，记录valgrind工具的使用。但是valgrind工具会极大影响程序性能。对商用程序，如果设计得不好，性能受影响的情况下有可能功能都不正常。所以本文方法只是一种参考，具体情况还需要具体分析。