基础：如何定位和处理内存泄露

悠悠 2022-09-17 03:15 172阅读 0赞

> Linux内存的工作原理

*  对于普通进程来说，能看到的其实是内核提供的虚拟内存，这些虚拟内存还需要通过页表，有系统映射为物理内存
 *  当进程通过malloc()申请虚拟内存后，系统并不会立即为其分配物理内存，而是在首次访问时，才通过缺页异常陷入内核中分配内存
 *  为了协调CPU与磁盘间的性能差异，Linux还会使用Cache和Buffer，分别把文件和磁盘读写的数据缓存到内存中

对应用程序来说，动态内存的分配和回收，很容易发送各种各样的“事故”，比如：

*  没正确回收分配后的内存，导致了泄露
 *  访问的是已经分配内存边界处的地址，导致程序异常退出，等等

那么，内存泄露到底是怎么发生的呢？以及发生内存泄露之后该怎么排查和定位呢？

受到内存泄露，就要先从内存的分配和回收说起了。

# 内存的分配和回收 #

进程分为用户空间和内核空间，而用户空间内存包括多个不同的内存段，比如只读段、数据段、堆、栈以及文件映射区。这些内存段是应用程序使用内存的基本方式：

*  栈内存有系统自动分配和管理。一般存储局部变量。一旦程序运行超出了这个局部变量作用域，栈内存就会被系统自动回收，所以不会产生内存泄露的问题
 *  堆内存由应用程序自己来分配和管理，一般使用malloc之类的手动申请。除非程序退出，这些堆内存并不会被系统自动释放，必须应用程序明确调用库函数free()来释放他们。如果应用程序没有正确释放堆内存，就会造成内存泄露。
 *  只读段，包括程序的代码和常量，由于是只读的，不会再去分配新的内存，所以也不会产生内存泄露
 *  数据段，包括全局变量和静态变量，这些变量在定义时就已经确定了大小，所以也不会产生内存泄露
 *  内存映射段，包括动态链接库和共享内存，其中共享内存有程序动态分配和申请。所以，如果程序在分配之后放了回收，就会导致跟堆内存类似的泄露问题

内存泄露的危害非常大，这些忘记释放的内存，不仅应用程序自己不能访问，系统也不能把它们再次分配给其他应用。内存泄露不断累积，甚至会耗尽系统内存。

虽然，系统最终可以通过OOM(Out of Memory)机制杀死进程，但进程在OOM前，可能已经引发了一连串的反应，导致严重的性能问题。

比如，其他需要内存的进程，可能无法分配新的内存；内存不足，又会触发系统的缓存回收以及swap机制，从而进一步导致IO的性能问题等。

内存泄漏的危害这么⼤，那我们应该怎么检测这种问题呢？

# 案例 #

接下来，我们就⽤⼀个计算斐波那契数列的案例，来看看内存泄漏问题的定位和处理⽅法

## 准备 ##

*  机器配置：2 CPU，8GB 内存
 *  预先安装 sysstat、Docker 以及 bcc 软件包：
    
     *  sysstat 软件包中的 vmstat ，可以观察内存的变化情况；
     *  bcc 软件包提供了⼀系列的 Linux 性能分析⼯具，常⽤来动态追踪进程和内核的⾏为。

# install sysstat docker
    sudo apt-get install -y sysstat docker.io
    # Install bcc
    sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys 4052245BD4284CDD
    echo "deb https://repo.iovisor.org/apt/bionic bionic main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/iovisor.list
    sudo apt-get update
    sudo apt-get install -y bcc-tools libbcc-examples linux-headers-$(uname -r)

## 开始 ##

启动案例：

$ docker run --name=app -itd feisky/app:mem-leak

确认案例应⽤已经正常启动。如

$ docker logs app
    2th => 1
    3th => 2
    4th => 3
    5th => 5
    6th => 8
    7th => 13

从输出中，我们可以发现，这个案例会输出斐波那契数列的⼀系列数值。实际上，这些数值每隔 1 秒输出⼀次。

知道了这些，我们应该怎么检查内存情况，判断有没有泄漏发⽣呢？你⾸先想到的可能是 top ⼯具，不过，top 虽然能观察系统和进程的内存占⽤情况，但今天的案例并不适合。内存泄漏问题，我们更应该关注内存使⽤的变化趋势。

可以使用vmstat。运⾏下⾯的 vmstat ，等待⼀段时间，观察内存的变化情况

# 每隔3秒输出⼀组数据
    $ vmstat 3
    procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
    r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
    procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
    r b swpd free   buff   cache  si so bi bo in cs us sy id wa st
    0 0 0   6601824 97620 1098784 0   0 0  0  62 322 0 0 100 0 0
    0 0 0   6601700 97620 1098788 0   0 0  0  57 251 0 0 100 0 0
    0 0 0   6601320 97620 1098788 0   0 0  3  52 306 0 0 100 0 0
    0 0 0   6601452 97628 1098788 0   0 0  27 63 326 0 0 100 0 0
    2 0 0   6601328 97628 1098788 0   0 0  44 52 299 0 0 100 0 0
    0 0 0   6601080 97628 1098792 0   0 0  0  56 285 0 0 100 0 0

从输出中你可以看到，内存的 free 列在不停的变化，并且是下降趋势；⽽ buffer 和 cache 基本保持不变。

未使用内存在渐渐减小，而buffer和cache基本不变，这说明，系统中使用的内存一直在升高。但这并不能说明有内存泄露，因为应用程序运行中需要的内存也可能会增大。比如说，程序中如果用了一个动态增长的数据来缓存计算结果，占用内存自然会增长。

那怎么确定是不是内存泄露呢？或者换句话说，有没有简单的方法找出内存增长的进程，并定位增长内存用在哪儿呢？

bbc提供了一个叫做memleak的工具，是专门用来检测内存泄露的。它可以跟踪系统或者指定进程的内存分配、释放请求，然后定期输出一个未释放内存和相应调⽤栈的汇总情况（默认5 秒）。

# -a 表示显示每个内存分配请求的⼤⼩以及地址
    # -p 指定案例应⽤的PID号
    $ /usr/share/bcc/tools/memleak -a -p $(pidof app)
    WARNING: Couldn't find .text section in /app
    WARNING: BCC can't handle sym look ups for /app
    addr = 7f8f704732b0 size = 8192
    addr = 7f8f704772d0 size = 8192
    addr = 7f8f704712a0 size = 8192
    addr = 7f8f704752c0 size = 8192
    32768 bytes in 4 allocations from stack
    [unknown] [app]
    [unknown] [app]
    start_thread+0xdb [libpthread-2.27.so]

从 memleak 的输出可以看到，案例应⽤在不停地分配内存，并且这些分配的地址没有被回收。

这⾥有⼀个问题，Couldn’t find .text section in /app，所以调⽤栈不能正常输出，最后的调⽤栈部分只能看到 \[unknown\] 的标志。

为什么会有这个错误呢？实际上，这是由于案例应⽤运⾏在容器中导致的。memleak ⼯具运⾏在容器之外，并不能直接访问进程路径 /app。

⽐⽅说，在终端中直接运⾏ ls 命令，你会发现，这个路径的确不存在：

$ ls /app
    ls: cannot access '/app': No such file or directory

类似的问题， CPU 模块中的 perf 使⽤⽅法中已经提到好⼏个解决思路。最简单的⽅法，就是在容器外部构建相同路径的⽂件以及依赖库。这个案例只有⼀个⼆进制⽂件，所以只要把案例应⽤的⼆进制⽂件放到 /app 路径中，就可以修复这个问题。

⽐如，你可以运⾏下⾯的命令，把 app ⼆进制⽂件从容器中复制出来，然后重新运⾏ memleak ⼯具：

$ docker cp app:/app /app
    $ /usr/share/bcc/tools/memleak -p $(pidof app) -a
    Attaching to pid 12512, Ctrl+C to quit.
    [03:00:41] Top 10 stacks with outstanding allocations:
    addr = 7f8f70863220 size = 8192
    addr = 7f8f70861210 size = 8192
    addr = 7f8f7085b1e0 size = 8192
    addr = 7f8f7085f200 size = 8192
    addr = 7f8f7085d1f0 size = 8192
    40960 bytes in 5 allocations from stack
    	fibonacci+0x1f [app]
    	child+0x4f [app]
    	start_thread+0xdb [libpthread-2.27.so]

这⼀次，我们终于看到了内存分配的调⽤栈，原来是 fibonacci() 函数分配的内存没释放。

定位了内存泄漏的来源，下⼀步⾃然就应该查看源码，想办法修复它。我们⼀起来看案例应⽤的源代码 app.c：

$ docker exec app cat /app.c
    \.\.\.
    long long *fibonacci(long long *n0, long long *n1)
    {
        
    	//分配1024个⻓整数空间⽅便观测内存的变化情况
    	long long *v = (long long *) calloc(1024, sizeof(long long));
    	*v = *n0 + *n1;
    	return v;
    }
    void *child(void *arg)
    {
        
    	long long n0 = 0;
    	long long n1 = 1;
    	long long *v = NULL;
    	for (int n = 2; n > 0; n++) {
        
    		v = fibonacci(&n0, &n1);
    		n0 = n1;
    		n1 = *v;
    		printf("%dth => %lld\n", n, *v);
    		sleep(1);
    	}
    }
    \.\.\.

你会发现， child() 调⽤了 fibonacci() 函数，但并没有释放 fibonacci() 返回的内存。所以，想要修复泄漏问题，在 child() 中加⼀个释放函数就可以了

void *child(void *arg)
    {
        
    \.\.\.
    	for (int n = 2; n > 0; n++) {
        
    		v = fibonacci(&n0, &n1);
    		n0 = n1;
    		n1 = *v;
    		free(v); // 释放内存
    		printf("%dth => %lld\n", n, *v);
    		sleep(1);
    	}
    }

修复后的代码也打包成了⼀个 Docker 镜像。可以运⾏下⾯的命令，验证⼀下内存泄漏是否修复：

# 清理原来的案例应⽤
    $ docker rm -f app
    # 运⾏修复后的应⽤
    $ docker run --name=app -itd feisky/app:mem-leak-fix
    # 重新执⾏ memleak⼯具检查内存泄漏情况
    $ /usr/share/bcc/tools/memleak -a -p $(pidof app)
    Attaching to pid 18808, Ctrl+C to quit.
    [10:23:18] Top 10 stacks with outstanding allocations:
    [10:23:23] Top 10 stacks with outstanding allocations:

现在，我们看到，案例应⽤已经没有遗留内存，证明我们的修复⼯作成功完成。

# 总结 #

*  应⽤程序可以访问的⽤户内存空间，由只读段、数据段、堆、栈以及⽂件映射段等组成。其中，堆内存和内存映射，需要应⽤程序来动态管理内存段，所以我们必须⼩⼼处理。不仅要会⽤标准库函数 malloc() 来动态分配内存，还要记得在⽤完内存后，调⽤库函数`_free()`来\_释放它们。
 *  为了避免内存泄漏，最重要的⼀点就是养成良好的编程习惯，⽐如分配内存后，⼀定要先写好内存释放的代码，再去开发其他逻辑。还是那句话，有借有还，才能⾼效运转，再借不难。
 *  当然，如果已经完成了开发任务，你还可以⽤ memleak ⼯具，检查应⽤程序的运⾏中，内存是否泄漏。如果发现了内存泄漏情况，再根据 memleak 输出的应⽤程序调⽤栈，定位内存的分配位置，从⽽释放不再访问的内存。