Linux программирование в примерах - Арнольд Роббинс

В данном разделе мы рассмотрим три отладчика динамической памяти, а затем предоставим ссылки на несколько других.

15.5.2.1. GNU/Linux mtrace

Системы GNU/Linux, использующие GLIBC, предоставляют две функции для включения и отключения трассировки памяти во время исполнения.

#include <mcheck.h> /* GLIBC */

void mtrace(void);

void muntrace(void);

Когда вызывается mtrace(), библиотека проверяет переменную окружения MALLOC_TRACE. Ожидается, что она указывает на записываемый файл (существующий или нет). Библиотека открывает файл и начинает записывать сведения о выделениях и освобождениях памяти (Если файл не может быть открыт, запись не производится. Файл урезается каждый раз при запуске программы.) Когда вызывается muntrace(), библиотека закрывает файл и больше не регистрирует выделения и освобождения.

Использование отдельных функций дает возможность проводить трассировку памяти для определенных частей программы; необязательно отслеживать все. (Мы нашли наиболее полезным включить журналирование в начале программы и все, но эта схема предоставляет гибкость, которую хорошо иметь.)

Когда приложение завершается, вы используете программу mtrace для анализа файла журнала. (Файл журнала в формате ASCII, но информацию нельзя использовать непосредственно.) Например, gawk включает трассировку, если определена TIDYMEM:

$ export TIDYMEM=1 MALLOC_TRACE=trace.out /* Экспортировать переменные окружения */

$ ./gawk 'BEGIN { print "hello, world" }' /* Запустить программу */

hello, world

$ mtrace ./gawk mtrace.out /* Создать отчет */

Memory not freed:

-----------------

Address Size Caller

0x08085858 0x20  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/main.c:1102

0x08085880 0xc80 at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:398

0x08086508 0x2   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x08086518 0x6   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x08086528 0x10  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/eval.c:2082

0x08086550 0x3   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.с:337

0x08086560 0x3   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x080865e0 0x4   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/field.c:76

0x08086670 0x78  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/awkgram.y:1369

0x08086700 0xe   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x08086718 0x1f  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/awkgram.y:1259

Вывод представляет собой список мест, в которых gawk выделяет память, которая в дальнейшем не освобождается. Обратите внимание, что постоянное подвешивание к динамической памяти является замечательным, если это сделано намеренно. Все показанные здесь случаи являются выделениями такого рода.

15.5.2.2. Electric Fence

В разделе 3.1 «Адресное пространство Linux/Unix» мы описали, как динамическая память выделяется из кучи, которая может расти и сокращаться (с помощью вызовов brk() или sbrk(), описанных в разделе 3.2.3 «Системные вызовы: brk() и sbrk()»).

Ну, картина, которую мы там представили, является упрощением действительности. Более развитые системные вызовы (не рассматриваемые в данной книге) позволяют добавлять в адресное пространство процесса дополнительные, необязательно смежные сегменты памяти. Многие отладчики malloc() работают с использованием этих системных вызовов для добавления новых областей адресного пространства при каждом выделении. Преимуществом этой схемы является то, что операционная система и аппаратное обеспечение защиты памяти компьютера взаимодействуют для обеспечения недействительности доступа к памяти за пределами этих изолированных сегментов, генерируя сигнал SIGSEGV. Эта схема изображена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Адресное пространство Linux/Unix, включая специальные области

Первым пакетом отладки, реализовавшим эту схему, был Electric Fence. Electric Fence является вставляемым заместителем для malloc() и др. Он работает на многих системах Unix и GNU/Linux; он доступен с FTP архива его авторов.[178] Он поставляется также со многими дистрибутивами GNU/Linux, хотя, возможно, вам придется выбрать ею явным образом при установке системы.

После компоновки программы с Electric Fence любой доступ за пределами выделенной памяти генерирует SIGSEGV. Electric Fence также перехватывает попытки использования уже освобожденной памяти. Вот простая программа, которая иллюстрирует обе проблемы.

1  /* ch15-badmem1.с --- плохо обращается с памятью */

2

3  #include <stdio.h>

4  #include <stdlib.h>

5

6  int main(int argc, char **argv)

7  {

8   char *p;

9   int i;

10

11  p = malloc(30);

12

13  strcpy(p, "not 30 bytes");

14  printf("p = <%s>n", p);

15

16  if (argc ==2) {

17   if (strcmp(argv[1], "-b") == 0)

18    p[42] = 'a'; /* коснуться за пределами границы */

19   else if (strcmp(argv[1], "-f") == 0) {

20    free(p); /* освободить память, затем использовать ее */

21    p[0] = 'b';

22   }

23  }

24

25  /* освобождение (p); */

26

27  return 0;

28 }

Эта программа осуществляет простую проверку опций командной строки, чтобы решить, как вести себя плохо: -b вызывает доступ к памяти за ее выделенными страницами, а -f пытается использовать освобожденную память. (Строки 18 и 21 являются соответственно опасными.) Обратите внимание, что без опций указатель никогда не освобождается (строка 25), Electric Fence не перехватывает этот случай.

Одним из способов использования Electric Fence, способом, который гарантированно работает на различных системах Unix и GNU/Linux, является статическая компоновка с ним вашей программы. Затем программа должна быть запущена из отладчика. (Документация Electric Fence явно указывает, что Electric Fence не следует компоновать с двоичным файлом готового изделия.) Следующий сеанс демонстрирует эту процедуру и показывает, что происходит для обеих опций командной строки:

$ cc -g ch15-badmem1.c -lefence -о ch15-badmem1 /* Откомпилировать; компоновка статическая */

$ gdb ch15-badmem1 /* Запустить из отладчика */

GNU gdb 5.3

...

(gdb) run -b /* Попробовать опцию -b */

Starting program: /home/arnold/progex/code/ch15/ch15-badmem1 -b

[New Thread 8192 (LWP 28021)]

Electric Fence 2.2.0 Copyright (C) 1987-1999 Bruce Perens <[email protected]>

p = <not 30 bytes>

Program received signal SIGSBGV, Segmentation fault.

SIGSBGV: GDB prints where

[Switching to Thread 8192 (LWP 28021)]

0x080485b6 in main (argc=2, argv=0xbffff8a4) at ch15-badmem1.c:18

18 p[42] = 'a'; /* коснуться за пределами границы */

(gdb) run -f /* Теперь попробовать опцию -f */

The program being debugged has been started already.

Start it from the beginning? (y or n) y /* Да */

Starting program: /home/arnold/progex/code/ch15/ch15-badmem1 -f

[New Thread 8192 (LWP 28024)]

Electric Fence 2.2.0 Copyright (C) 1987-1999 Bruce Perens <[email protected]>

p = <not 30 bytes>

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault. /* Снова SIGSEGV */

[Switching to Thread 8192 (LWP 28024)]

0x080485e8 in main (argc=2, argv=0xbffff8a4) at ch15-badmem1.c:21

21 p[0] = 'b';

На системах, которые поддерживают разделяемые библиотеки и переменную окружения LD_PRELOAD (в том числе и на GNU/Linux), вам не нужно явным образом компоновать библиотеку efence. Вместо этого сценарий оболочки ef организует запуск программы с соответствующей настройкой.

Хотя мы не описали механизмы подробно, GNU/Linux (и другие системы Unix) поддерживают разделяемые (shared) библиотеки, особые версии библиотечных процедур, которые хранятся в одном файле на диске, вместо того, чтобы копироваться в каждый отдельный двоичный исполняемый файл программы. Разделяемые библиотеки экономят дисковое пространство и могут сохранить системную память, поскольку все программы, использующие разделяемые библиотеки, используют одну и ту же копию библиотеки в памяти. Платой за это является замедление загрузки программы, поскольку программу и разделяемую библиотеку нужно подключить друг к другу прежде, чем программа сможет начать выполнение. (Обычно это прозрачно для вас, пользователя.)

Переменная окружения LD_PRELOAD заставляет системный загрузчик программ (который загружает исполняемые файлы в память) связаться со специальной библиотекой до стандартных библиотек. Сценарий ef использует эту особенность для связывания набора функций malloc() в Electric Fence.[179] Таким образом, повторная компоновка даже не нужна. Этот пример демонстрирует ef:

$ cc -g ch15-badmem1.c -о ch15-badmem1 /* Компилировать как обычно */

$ ef ch15-badmem1 -b /* Запустить с использованием ef, создает дамп ядра */

Electric Fence 2.2.0 Copyright (С) 1987-1999 Bruce Perens <[email protected]>