Visual Leak Detector原理剖析

 

认识VLD

VLD(Visual Leak Detector)是一款用于Visual C++的开源内存泄漏检测工具，我们只需要在被检测内存泄漏的工程代码里#include “vld.h”就可以开启内存泄漏检测功能。当我们使用Visual Studio debugger来调试我们的进程时，VLD可以在程序退出时很直观地将泄漏的内存地址、堆栈、大小、内容输出到Visual Studio的Output窗口，此时我们只需要直接双击调用堆栈就可以跳转到对应的代码行，从而直接明了的知道哪里分配了的内存没有被释放，如下图：

本文要剖析的VLD版本是V2.3，其源码可以在http://vld.codeplex.com/下载到。

VLD原理概述

从本质上来说，VLD是通过监控所有内存操作（分配和释放）来检测内存泄漏的，而监控内存操作的方式也有很多种，比如Hook所有内存操作函数到自定义的函数中，或者通过修改IAT（Import Address Table导入地址表）来将原本要调用的内存操作函数修改为VLD自已的函数。这里VLD 的方法是后者。

VLD原理剖析

从#include “vld.h”开始看去

1.         首先我们在vld.h文件里可以看到#if defined _DEBUG || defined VLD_FORCE_ENABLE，这里表示的意思是Debug版本是默认开启监控的，但如果使用的是Release版本的话就需要在工程设置里加上VLD_FORCE_ENABLE预定义宏内存监控才会生效，这点也是需要提醒各位看官的。

2.         再者我们看到可以看到#pragma comment(lib, "vld.lib")这行代码。其实vld工程本身是一个dll工程，但dll工程编译时同时也会生成一个lib，通过这行代码我们的程序就不需要手动调用LoadLibrary来加载dll了。

3.         再者我们可以看到这样一段代码：

大概的意思就是导出一个对象（这个对象的名字叫g_vld，它是vld.cpp里的一个全局变量）为我们的程序所看到，从而保证vld.dll会被加载，不然编译器可能会认为vld.dll里我们的代码并没有依赖vld从而给优化掉了。这样，当vld.dll被加载时，这个对象就会被初始化，从而修改各dll的导入地址表来做监控所有内存操作。

从g_vld对象看VLD如何监控所有内存操作

1.         我们在vld.cpp里可以看到这个对象的定义，它是类VisualLeakDetector的实例，当此对象被初始化时会调用类的构造函数，接下来我们看看构造函数里做了什么事。

2.         首先，我们看看下面这段代码：

这里枚举了所有已加载的模块，然后再对枚举到的模块调用attachToLoadedModules，接下来我们看看attachToLoadedModules做了什么事情。

3.         在attachToLoadedModules函数里，它会枚举所有的模块，并调用下面这行代码：

这个函数的主要工作就是修改moduleBase所指示的模块的导入地址表，下面我看看传入参数m_patchTable是什么。

4.         可以看到m_patchTable是一个moduleentry_t数组，moduleentry_t的定义（在utility.h文件里）如下：

它的第一个成员exportModuleName表示的是一个dll的名字，第二个成员moduleBase表示的是该dll的基地址，第三个参数patchTable是一个结构体的指针，我们再看看patchentry_t的定义（在utility.h文件里）：

其中importName是api的名字，这些API都内存操作相关的API，original表示的是该API的函数地址，replacement是VLD内部一个函数的地址，它是用来替换原来的函数地址的。

5.         接下来看看m_patchTable的具体内容（部分）吧：

再取其中的m_kernel32Patch看看其具体内容：

6.         通过代码可以发现PatchModule函数拿到上面的内存后，会对m_patchTable数组里的每一个元素调用PatchImport函数，而PatchImport就是真正修改导入地址表的地方。

看VLD如何管理监控到的内存

1.         所有内存分配最终都会调用kernel32的HeapAlloc以及HeapReAlloc函数，而前文的介绍中已经提到这两个函数会被VLD内部函数通过修改导入地址表而替换。各位看官看到这里可能会问：“既然所有内存分配最终都会走到这里，那为什么不直接监控这几个函数呢？为什么还要监控那么多其他函数（malloc,new,realloc,calloc等等）？”我的理解是：为了获取调用malloc,new,realloc,calloc这些函数时的堆栈。虽然从HeapAlloc开始回溯堆栈也没有什么问题，但VLD这不是为了美观么，不想有多余的干扰信息。

2.         VLD监控到分配的内存后会保存到一个map结构中：

这里以堆句柄为first key，second是一个结构体heapinfo_t，定义如下：

这里的成员blockMap又是一个map：

BlockMap以分配的内存地址为first key，然后second又是一个结构体，定义如下：

这里保存了所监控到的内存分配堆栈、分配序号、大小等信息。

3.         有了这个map结构后，当有内存被分配时，就会向这个map插入元素；而当有内存被释放时，就会从这个map中删除对应的元素。

4.         最后，当程序退出时，g_vld对象会被析构，此时map中的所有元素就是没有被释放的内存，也就是泄漏的内存。

总结

         以上就是VLD的基本原理了，其实在VLD早前的版本中它并不是用的这种修改导入地址表的机制，这里就不再赘述了。总的来说，VLD还是一款简单易用的内存泄漏检测工具，但是它也有自已的缺陷：需要修改源程序的代码。这就使得需要有代码的情况下才能够检查内存泄漏，但对于测试人员来说，有时我们拿到的只是编译好的二进制，情况好点的话会有PDB，此时如何去检查内存泄漏也是一个值得研究的方向。