内存定位利器-ASAN使用小结

云存储开发者支持团队 发表于 2022/08/04 11:03:10 2022/08/04
【摘要】 在c/c++开发过程中,经常出现内存异常使用的问题,比如踩内存,被踩的内存如果未被使用对外无影响。而一旦使用了被踩的内存,可能会出现进程core,死循环,进入异常分支等等各种千奇百怪的问题。这个时候要去定位这段内存为什么被踩,相当困难,因为已经错过了案发现场。有没有能在踩内存的第一现场就把凶手抓住,而不是在破坏已经表现出来的时候再去分析定位的方法呢?asan 就能达到这个目的

1.什么是ASAN

ASAN全称:Address Sanitizer,google发明的一种内存地址错误检查器。目前已经被集成到各大编译器中。

2.为什么我们需要ASAN

在c/c++开发过程中,经常出现内存异常使用的问题,比如踩内存,被踩的内存如果未被使用对外无影响。而一旦使用了被踩的内存,可能会出现进程core,死循环,进入异常分支等等各种千奇百怪的问题。这个时候要去定位这段内存为什么被踩,相当困难,因为已经错过了案发现场。如果不幸,遇到了这种问题,常用手段是:
1)分析被踩内存的特征值,比如是否是一个magic值,然后从代码库中找特征值,分析代码,缩小排查方向。
2)找到必现条件,通过gdb的watch功能,watch被踩的内存地址,一旦被踩,gdb将会打出踩内存的堆栈。
根据作者的经验,出现踩内存的问题需要消耗大量的人力定位。少则一人周,多种数人月。而这类问题,往往是由于某个低级编码错误引起的。
所以,我们迫切的希望,能在踩内存的第一现场就把凶手抓住,而不是在破坏已经表现出来的时候再去分析定位。而asan就能达到这个目的,它会接管内存的申请和释放,每次的内存的读写都会检查,因此可以做到快速的定位踩内存的问题。在asan之前也有其他的内存分析工具,但是asan是这些工具中比较优秀的,并不会损失大量的性能和内存(官方数据,性能下降两倍,而valgrind下降20倍:https://github.com/google/sanitizers/wiki/AddressSanitizerComparisonOfMemoryTools)。

3.ASAN可以定位哪些内存使用问题

  1. Heap OOB(HeapOutOfBounds 堆内存越界)
int main(int argc, char **argv) {
  int *array = new int[100];
  array[0] = 0;
  int res = array[argc + 100];  // BOOM
  delete [] array;
  return res;
}
  1. Stack OOB(StackOutOfBounds 栈越界)
int main(int argc, char **argv) {
  int stack_array[100];
  stack_array[1] = 0;
  return stack_array[argc + 100];  // BOOM
}
  1. Global OOB(GlobalOutOfBounds 全局变量越界)
int global_array[100] = {-1};
int main(int argc, char **argv) {
  return global_array[argc + 100];  // BOOM
}
  1. UAF(UseAfterFree 内存释放后使用)
int main(int argc, char **argv) {
  int *array = new int[100];
  delete [] array;
  return array[argc];  // BOOM
}
  1. UAR(UseAfterReturn 栈内存回收后使用,该功能还存在少量bug,默认未开启,开启ASAN_OPTIONS=detect_stack_use_after_return=1)
int *ptr;
__attribute__((noinline))
void FunctionThatEscapesLocalObject() {
  int local[100];
  ptr = &local[0];
}

int main(int argc, char **argv) {
  FunctionThatEscapesLocalObject();
  return ptr[argc];
}
  1. UMR(uninitialized memory reads读取未初始化内存)

  2. Leaks(内存泄露)

4.怎么使用ASAN工具

现在大部分编译器已经集成了支持asan的能力,编译的时候加上编译选项即可。
常见的编译选项:

  • -fsanitize=address 开起asan能力,gcc 4.8版本开启支持。
  • -fsanitize-recover=address :asan检查到错误后,不core继续运行,需要配合环境变量ASAN_OPTIONS=halt_on_error=0:report_path=xxx使用。gcc 6版本开始支持。

本文使用的是华为 EulerOS v2r9 版本。

下面开始我们的asan之旅

  1. 写个bug,写一个释放后的内存还在使用的例子。
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int *p = malloc(sizeof(int)*10);
    free(p);
    *p = 3;//该程序正常情况下并不会导致进程core,因为free后的内存被glibc的内存分配器缓存着
    return 0;
}
  1. 加上编译选项编译:gcc -fsanitize=address -g ./test.c -lasan -L /root/buildbox/gcc-10.2.0/lib64/ 其中-L指定的是libasan.so存放的位置。

  2. 指定asan的so的目录,export LD_LIBRARY_PATH=/root/buildbox/gcc-10.2.0/lib64/,执行./a.out执行程序,将可以看到asan报错。指出了内存异常使用的位置和原因。
    报错

  3. 在工程中,我们更希望程序遇到错误能不中断,而继续执行下去,我们可以使用 -fsanitize-recover=address 方法。这次我们更改下代码,多引入几个错误。

#include <stdlib.h>

int main()
{
    int *p = malloc(sizeof(int)*10);
    free(p);
    *p = 3; //错误1.释放后继续使用
    p = malloc(sizeof(int)*10);
    p[11] = 3;//错误2,越界写
    return 0;
}
  1. 编译:gcc -fsanitize=address -fsanitize-recover=address -g ./test.c -lasan -L /root/buildbox/gcc-10.2.0/lib64/

  2. 设置环境变量:export ASAN_OPTIONS=halt_on_error=0:log_path=/var/log/err.log,执行程序./a.out

  3. 查看日志路径:在/var/log目录下,形成一个err.log.212的文件,212是执行./a.out的进程号。文件记录了详细的错误信息。

定位1

定位2

5. ASAN的原理是什么

ASAN要记录每一块内存的可用性. 把用户程序所在的内存区域叫做主内存, 而记录主内存可用性的内存区域, 则叫做影子内存 (Shadow memory).

所有主内存的分配都按照 8 字节的方式对齐. 然后按照 1:8 的压缩比例对主内存的可用性进行记录, 然后存入影子内存中. 影子内存无法被用户直接读写, 需要编译器生成相关的代码来访问.

每一次内存的分配和释放, 都会写入影子内存. 每次读/写内存区域前, 都会读取一下影子内存, 获得这块内存访问合法性 (是否被分配, 是否已被释放).

对影子内存的写入只在分配内存的时候发生, 所以只要分配内存是多线程安全的, ASan 就是多线程安全的, 这在大部分情况下也确实成立.

计算影子内存的地址需要快速, 他们采用了: 主内存地址除以 8, 再加上一个偏移量的做法. 因为堆栈分别在虚拟内存地址空间的两端, 这样影子内存就会落在中间. 而如果用户以外访问了影子内存, 那么影子内存的"影子内存"就会落到一个非法的范围 (Shadow Gap) 内, 就可以知道访问出了些问题.

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