内存泄露检测工具-AddressSanitzer

2023-12-18 10:33:43

0. 简介

2012 年，Google 发布了一篇论文:《AddressSanitizer: A Fast Address Sanity Checker》。介绍了一种新的内存检测方法，让上面的问题得到了很大的改进。截止到目前，AddressSanitizer 已经被广泛应用到了各种语言： C、C++、Objective-C、Java 等。以 Google 自己的 benchmark 为参考，开启 ASan 后，会使程序运行速度平均下降 2 倍左右，内存占用会增加 3 倍左右(和硬件有关)。这和其他工具动辄十几倍的消耗要好上不少。（如果要跑比较大的包，还是建议用AddressSanitzer的）。对于Address Sanitizer可以用来检测如下内存使用错误：

内存释放后又被使用；
内存重复释放；
释放未申请的内存；
使用栈内存作为函数返回值；
使用了超出作用域的栈内存；
内存越界访问；

1. AddressSanitzer是怎么做的

加了 ASAN 相关的编译选项后，代码中的每一次内存访问操作都会被编译器修改为如下方式：

编译后：

程序中跑 Valgrind 其会极大的降低程序运行速度，大约降低 10 倍，而跑 AddressSanitizer 大约只降低 2 倍！与 valgrind 相比 asan 消耗非常低，甚至可以直接在生产环境中启用 asan 排查跟踪内存问题。

2. AddressSanitizer安装与配置

AddressSanitizer在gcc4.8后被默认加入，成为 gcc 的一部分，但不支持符号信息，无法显示出问题的函数和行数。从 4.9 开始，gcc 支持 AddressSanitizer 的所有功能。因此 gcc 4.8 以上版本使用 ASAN 时不需要安装第三方库，通过在编译时指定编译 CFLAGS 即可打开开关。

    如果使用 AddressSanitizer 时报错则需要先安装，Ubuntu 安装命令为：

sudo apt-get install libasan0

如果要使用命令行（gcc/g++），可以使用

-fsanitize=address：开启内存越界检测
-fsanitize-recover=address：一般后台程序为保证稳定性，不能遇到错误就简单退出，而是继续运行，采用该选项支持内存出错之后程序继续运行，需要叠加设置 ASAN_OPTIONS= halt_on_error=0 才会生效；若未设置此选项，则内存出错即报错退出
-fno-stack-protector：去使能栈溢出保护
-fno-omit-frame-pointer：去使能栈溢出保护
-g1：表示最小调试信息，通常 debug 版本用-g 即-g2

如果要在CmakeList，则可以调用以下命令target_link_libraries：

set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer")
set(CMAKE_LINKER_FLAGS "${CMAKE_LINKER_FLAGS} -fsanitize=address")
target_link_libraries(MyTarget
  asan
)

ASAN_OPTIONS 还需要完成环境变量设置选项,这样当程序出问题的时候我们可以立刻查到log情况：

halt_on_error=0：检测内存错误后继续运行

detect_leaks=1:使能内存泄露检测

malloc_context_size=15：内存错误发生时，显示的调用栈层数为 15

log_path=/home/asan.log:内存检查问题日志存放文件路径

export ASAN_OPTIONS=halt_on_error=0:use_sigaltstack=0:detect_leaks=1:malloc_context_size=15:log_path=/debug/asan.log

当出现问题后我们可以访问log文件，并记录了我们这个程序的错误是ERROR后面的内容 detected memory leaks，说明有内存泄漏。

错误类型有如下一些：

(heap) use after free 释放后使用
heap buffer overflow 堆缓存访问溢出
stack buffer overflow 栈缓存访问溢出
global buffer overflow 全局缓冲访问溢出
use after return
use after scope
initializations order bugs
memory leaks 内存泄露

#1是内存分配的地方，#2是使用的地方。然后后面就是导致程序泄漏的位置，是一个进程的内存偏移形式，我们可以在编译时加-g选项，就可以定位出代码位置，例如：

3. 错误类型列举

3.1 Use after free

内存释放后还被使用。


int main(int argc, char **argv) {
  int *array = new int[100];
  delete [] array;
  return array[argc];  // BOOM
}

=================================================================
==3262==ERROR: AddressSanitizer: heap-use-after-free on address 0x614000000044 at pc 0x55c005566d89 bp 0x7fffc64dc040 sp 0x7fffc64dc030
READ of size 4 at 0x614000000044 thread T0
    #0 0x55c005566d88 in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:6
    #1 0x7fdb76b17082 in __libc_start_main ../csu/libc-start.c:308
    #2 0x55c005566c4d in _start (/root/study/cmakeutils/build/main+0xdc4d)

0x614000000044 is located 4 bytes inside of 400-byte region [0x614000000040,0x6140000001d0)
freed by thread T0 here:
    #0 0x7fdb77396b97 in operator delete[](void*) ../../../../src/libsanitizer/asan/asan_new_delete.cpp:163
    #1 0x55c005566d3c in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:5
    #2 0x7fdb76b17082 in __libc_start_main ../csu/libc-start.c:308

previously allocated by thread T0 here:
    #0 0x7fdb77396097 in operator new[](unsigned long) ../../../../src/libsanitizer/asan/asan_new_delete.cpp:102
    #1 0x55c005566d25 in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:4
    #2 0x7fdb76b17082 in __libc_start_main ../csu/libc-start.c:308
...

注：上述代码为 Bash

第 4 行显示了 READ（内存读取）的位置，return array[argc]；

第 10 行显示了 freed（内存释放）的位置，delete [] array；

第 16 行显示了 allocate（内存申请）的位置，int *array = new int[100]。

3.2 Heap buffer overflow

申请了堆空间，数组下标超出申请范围。


int main(int argc, char **argv) {
  int *array = new int[100];
  array[0] = 0;
  int res = array[argc + 100];  // BOOM
  delete [] array;
  return res;
}

=================================================================
==3407==ERROR: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow on address 0x6140000001d4 at pc 0x55753d9b4dbb bp 0x7ffe7d1e77e0 sp 0x7ffe7d1e77d0
READ of size 4 at 0x6140000001d4 thread T0
    #0 0x55753d9b4dba in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:6
    #1 0x7f9f5683b082 in __libc_start_main ../csu/libc-start.c:308
    #2 0x55753d9b4c4d in _start (/root/study/cmakeutils/build/main+0xdc4d)

0x6140000001d4 is located 4 bytes to the right of 400-byte region [0x614000000040,0x6140000001d0)
allocated by thread T0 here:
    #0 0x7f9f570ba097 in operator new[](unsigned long) ../../../../src/libsanitizer/asan/asan_new_delete.cpp:102
    #1 0x55753d9b4d25 in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:4
    #2 0x7f9f5683b082 in __libc_start_main ../csu/libc-start.c:308
...

注：上述代码为 Bash

第 4 行显示了 READ 的位置，int res = array[argc + 100]；

第 11 行显示了 allocate 的位置，int *array = new int[100]；

因为这里 argc + 100 >= 100， array 下标为 0-99，所以出现错误。

3.3 Stack buffer overflow

局部变量，数组下标超出范围。


int main(int argc, char **argv) {
  int stack_array[100];
  stack_array[1] = 0;
  return stack_array[argc + 100];  // BOOM
}

=================================================================
==3529==ERROR: AddressSanitizer: stack-buffer-overflow on address 0x7fff4c128d44 at pc 0x55ccafbf0e13 bp 0x7fff4c128b60 sp 0x7fff4c128b50
READ of size 4 at 0x7fff4c128d44 thread T0
    #0 0x55ccafbf0e12 in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:6
    #1 0x7f624dc97082 in __libc_start_main ../csu/libc-start.c:308
    #2 0x55ccafbf0c0d in _start (/root/study/cmakeutils/build/main+0xdc0d)

Address 0x7fff4c128d44 is located in stack of thread T0 at offset 452 in frame
    #0 0x55ccafbf0cd8 in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:3

  This frame has 1 object(s):
    [48, 448) 'stack_array' (line 4) <== Memory access at offset 452 overflows this variable
HINT: this may be a false positive if your program uses some custom stack unwind mechanism, swapcontext or vfork
      (longjmp and C++ exceptions *are* supported)
...

注：上述代码为 Bash

第 4 行显示了 READ 的位置，return stack_array[argc + 100]；

第 12 行显示了变量的位置，int stack_array[100]。

3.4 Global buffer overflow

全局变量，数组下标超出范围。


int global_array[100] = {-1};
int main(int argc, char **argv) {
  return global_array[argc + 100];  // BOOM
}

=================================================================
==3653==ERROR: AddressSanitizer: global-buffer-overflow on address 0x55b61f0391b4 at pc 0x55b61efd7d2b bp 0x7fff8bc1cbd0 sp 0x7fff8bc1cbc0
READ of size 4 at 0x55b61f0391b4 thread T0
    #0 0x55b61efd7d2a in main /root/study/cmakeutils/src/main.cpp:5
    #1 0x7f0637717082 in __libc_start_main ../csu/libc-start.c:308
    #2 0x55b61efd7c0d in _start (/root/study/cmakeutils/build/main+0xdc0d)

0x55b61f0391b4 is located 4 bytes to the right of global variable 'global_array' defined in '/root/study/cmakeutils/src/main.cpp:3:5' (0x55b61f039020) of size 400
...

注：上述代码为 Bash

第 4 行显示了 READ 的位置，return global_array[argc + 100]；

第 8 行显示了全局变量的位置，int global_array[100] = {-1}。

3.5 Use after return

…详情请参照古月居

文章来源:https://blog.csdn.net/lovely_yoshino/article/details/131472339
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