HeapSnap工具原理及其應用

• HeapSnap工具原理及其應用
  • • 簡介
    • HeapSnap工具演示
    • HeapSnap工具的實現(xiàn)原理

簡介

HeapSnap工具，其名稱源于Heap Snapshot，意即堆內存快照。其實現(xiàn)方式是：在不同的時間點上保存堆內存的快照，然后對比這些不同時間點的快照，找出導致內存增長的泄露點。

HeapSnap工具專門用于處理Android系統(tǒng)中native進程的heap內存泄露問題。它的實現(xiàn)是基于Android已有的libc debug機制，對目標進程的影響小，易于使用，且解決問題的概率高。

源碼下載: https://github.com/albuer/heapsnap

HeapSnap工具演示

演示環(huán)境: Android5.1

• 使能malloc leak調試開關
  setprop libc.debug.malloc 1
• 啟動測試程序，該程序每3秒鐘泄露4KB大小的內存，測試代碼如下：

　1 #include <stdio.h>2 #include <stdlib.h>3 #include <android/log.h>4 5 void* foo(void)6 {7 void* p = malloc(4096);8 memset(p, 0x5A, 4096);9 return p;10 }11 12 int main(void)13 {14 int count=0;15 void * p = NULL;16 while(1) {17 p = foo();18 ++count;19 printf("%d: %p\n", count, p);20 sleep(3);21 }22 return 0;23 }

• 向目標進程注入代碼，從而讓目標進程擁有保存heap快照的功能
  heapsnap -p <進程ID> -l libheapsnap.so

• 保存heap快照
  kill -21 <進程ID>

  從logcat信息中可以看到heap快照被保存在/data/local/tmp/heap_snap/proc_7104_0000.heap，其內容如下：

Heap Snapshot v0.2Total memory: 103424 Allocation records: 2size 4096, dup 25, 0xb6ec576e, 0xb6f3d282, 0xb6fa74ba, 0xb6fa73ac, 0xb6f3d39c, 0xb6fa7428#00 pc 0000676e /system/lib/libc_malloc_debug_leak.so (leak_malloc+101)#01 pc 00012282 /system/lib/libc.so (malloc+9)#02 pc 000004ba /system/bin/leak_test#03 pc 000003ac /system/bin/leak_test#04 pc 0001239c /system/lib/libc.so (__libc_init+43)#05 pc 00000428 /system/bin/leak_test size 1024, dup 1, 0xb6ec576e, 0xb6f3d282, 0xb6f60efa, 0xb6f65eb2, 0xb6f61bac, 0xb6f63172, 0xb6f61128, 0xb6fa73b8, 0xb6f3d39c, 0xb6fa7428#00 pc 0000676e /system/lib/libc_malloc_debug_leak.so (leak_malloc+101)#01 pc 00012282 /system/lib/libc.so (malloc+9)#02 pc 00035efa /system/lib/libc.so (__smakebuf+21)#03 pc 0003aeb2 /system/lib/libc.so (__swsetup+105)#04 pc 00036bac /system/lib/libc.so#05 pc 00038172 /system/lib/libc.so (vfprintf+17)#06 pc 00036128 /system/lib/libc.so (printf+23)#07 pc 000003b8 /system/bin/leak_test#08 pc 0001239c /system/lib/libc.so (__libc_init+43)#09 pc 00000428 /system/bin/leak_test******** MAPS ******** 其中：

• Total memory: 103424，指的是進程申請的堆內存大小，此處是103424 Bytes
• Allocation records: 2，總共有2條內存分配路徑
• size 4096, dup 25, 0xb6ec576e, … ，size指的是每塊內存的大小，此處為4096Bytes，dup指重復的次數，此處為25，表示這個內存分配路徑被調用了25次，后面的地址就是backtrace，以及對backtrace解析后的信息。

這個demo程序中只有兩條heap分配記錄，第一條的size為4096，dup為25，表明這個heap分配路徑被重復執(zhí)行了25次，且分配的內存都沒有釋放掉，因些我們能夠很明顯看出這個內存分配路徑就是泄露點了。

從backtrace我們可以看到調用malloc函數的位置是

#02 pc 000004ba /system/bin/leak_test

我們調用addr2line查詢地址”0x000004ba”所指向的代碼行：

arm-linux-gnueabi-addr2line -ife out/target/product/rk3288/symbols/system/bin/leak_test 0x4ba
test
/home/cmy/WORK/android-src/android5.1-vr/external/heapsnap/leak_test.c:7

通過addr2line命令反查到”0x4ba”這個地址指向leak_test.c文件的第７行，foo()函數。

在實際的程序中，heap快照中的分配記錄通常都是非常多的，不容易找出哪個內存分配路徑是泄露點，此時可以通過對比不同時間點上，相同內存分配路徑下的dup次數來做出判斷，如果某個分配路徑的dup次數處于持續(xù)增長的狀態(tài)，那么它就很可能是一個泄露點了。

HeapSnap工具的實現(xiàn)原理

• 獲取進程的heap信息
  我們首先來看下在Android中，進程的heap分配的backtrace信息是如何被保存以及如何讀取的。

  方法很簡單，只需要先打開malloc調試開關之后，再執(zhí)行目標進程，那么在這個新運行的進程內發(fā)生的所有heap分配的backtrace信息就會被記錄下來，之后在該進程內調用get_malloc_leak_info函數即可獲取到所有前面保存的heap’s backtrace記錄。

• malloc調試開關

  • 調用’setprop libc.debug.malloc 1’設置好屬性后，malloc開關就使能了且被設置為leak模式（注：在Android7以及之后的版本，設置屬性”setprop libc.debug.malloc.options backtrace”）。

  • 接著，我們開始執(zhí)行目標進程，進行啟動過程上中會初始化一個加載器，在Android中是/system/bin/linker

  • 通過加載器linker，把所有需要用到的so文件都加載進來。

  • 在linker加載so文件過程中，會自動執(zhí)行so文件內的.init/.init_array section代碼

  • 在libc.so中，定義了一個函數”attribute((constructor)) static void libc_preinit()”，修飾符“__attribute((constructor))”告知編譯器把__libc_preinit函數指針放到.init_array section，于是函數__libc_preinit在so被linker加載時被自動執(zhí)行了

  • 在__libc_preinit()函數中，會去讀取libc.debug.malloc屬性值，并根據所獲得的值設置malloc/free…等函數指針指向不同的函數實現(xiàn)，此處libc.debug.malloc為1，則函數指針指向leak_malloc/leak_free….等leak_xxxx形式的函數實現(xiàn)。

  于是，屬性libc.debug.malloc決定了所使用到的mallc/free的實現(xiàn)函數。

• heap’s backtrace信息的保存與讀取

  • 當malloc調試開關設置為leak模式后，在進程內執(zhí)行malloc/calloc等函數時候，實際調用的是leak_malloc/leak_calloc等函數，這些函數會在分配的內存前面附加一個頭部信息，在該頭部信息里面保存了此次內存分配的backtrace信息。
  • libc提供了一個函數get_malloc_leak_info，通過該函數我們就能獲得當前進程所有未釋放的heap的backtrace信息了。最終我們獲取到的backtrace信息如前面所示。

• 進程注入
  前面說到調用get_malloc_leak_info可以獲得當前進程的heap信息，但要怎么才能讓目標進程去調用get_malloc_leak_info函數，一種是修改代碼目標代碼，加入獲取進程heap快照的相關代碼后重新編譯；還有另外一種方式就是使用進程注入，它能把一段代碼注入到目標進程中并執(zhí)行。

  進程注入流程圖如下所示：

  大致流程描述如下：

• 先調用ptrace(PTRACE_ATTACH, …)把當前程序附著在目標進程之上，即成為目標進程的父進程。

• 在目標進程中開辟一塊內存空間用于傳遞參數信息到目標進程

• 把要注入的程序庫文件名信息保存在前面開辟出來的內存空間，并調用dlopen把該程序庫加載到目標進程中。

• 在程序庫中定義有一個“extern “C” void attribute((constructor)) prepare()”函數，這個函數會在so被加載到目標進程后被自動執(zhí)行，它會為信號SIGTTIN注冊一個處理函數，當該信號被觸發(fā)后，其注冊的處理函數會調用get_malloc_leak_info獲得當前進程的heap快照，并保存成文件。

• 至此，注入程序已經把指定代碼注入到目標進程中，并且在目標進程中注冊了一個函數用于處理信號SIGTTIN，于是我們可以用kill命令向目標進程發(fā)送SIGTTIN信號，然后目標進程的當前heap快照就會被保存下來了。

• 最后，我們需要把先前在目標進程中開辟的那塊內存空間釋放掉，還原寄存器，調用ptrace(PTRACE_DETACH, pid, …)結束對該進程的追蹤，目標進程就能沿著原來的流程繼續(xù)執(zhí)行下去了，只是在它內部多了我們注入的代碼。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的HeapSnap工具原理及其应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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