Android中native进程内存泄露的调试技巧（一）

基于Android5.0版本

Android为Java程序提供了方便的内存泄露信息和工具（如MAT），便于查找。但是，对于纯粹C/C++ 编写的natvie进程，却不那么容易查找内存泄露。传统的C/C＋＋程序可以使用valgrind工具，也可以使用某些代码检查工具。幸运的是，Google的bionic库为我们查找内存泄露提供了一个非常棒的API－－get_malloc_leak_info。利用它，我们很容易通过得到backtrace的方式找到涉嫌内存泄露的地方。

代码原理分析

我们可以使用adb shell setprop libc.debug.malloc 1来设置内存的调试等级（debug_level），更详细的等级解释见文件bionic/libc/bionic/malloc_debug_common.cpp中的注释：

// Handle to shared library where actual memory allocation is implemented.
// This library is loaded and memory allocation calls are redirected there
// when libc.debug.malloc environment variable contains value other than
// zero:
// 1  - For memory leak detections.
// 5  - For filling allocated / freed memory with patterns defined by
//      CHK_SENTINEL_VALUE, and CHK_FILL_FREE macros.
// 10 - For adding pre-, and post- allocation stubs in order to detect
//      buffer overruns.
// Note that emulator's memory allocation instrumentation is not controlled by
// libc.debug.malloc value, but rather by emulator, started with -memcheck
// option. Note also, that if emulator has started with -memcheck option,
// emulator's instrumented memory allocation will take over value saved in
// libc.debug.malloc. In other words, if emulator has started with -memcheck
// option, libc.debug.malloc value is ignored.
// Actual functionality for debug levels 1-10 is implemented in
// libc_malloc_debug_leak.so, while functionality for emulator's instrumented
// allocations is implemented in libc_malloc_debug_qemu.so and can be run inside
// the emulator only.

get_malloc_leak_info()函数也位于malloc_debug_common.cpp文件中，若探究其实现，请自行查看源码。

对于不同的内存调试等级（debug_level），malloc_dispatch_table將指向不同的内存分配管理函数。这样，内存的分配和释放，在不同的的调试等级下，将使用不同的函数版本。

详细的代码过程如下：

// Initializes memory allocation framework.
// This routine is called from __libc_init routines implemented
// in libc_init_static.c and libc_init_dynamic.c files.
extern "C" __LIBC_HIDDEN__ void malloc_debug_init() {
#if !defined(LIBC_STATIC)
  static pthread_once_t malloc_init_once_ctl = PTHREAD_ONCE_INIT;
  if (pthread_once(&malloc_init_once_ctl, malloc_init_impl)) {
    error_log("Unable to initialize malloc_debug component.");
  }
#endif  // !LIBC_STATIC
}

如代码注释所说，__libc_init()例程中（位于libc_init_static.c和libc_init_dynamic.c文件中）会调用malloc_debug_init进行初始化，进而调用malloc_init_impl（在一个进程中，使用pthread_once保证其只被执行一次）

在malloc_init_impl()例程中，先打开so库，再从so库中解析出malloc_debug_initialize符号，然后执行它。当debug_level为1/5/10时，將会打开libc_malloc_debug_leak.so库文件，malloc_debug_initialize()函数的实现在malloc_debug_check.cpp文件中；当debug_level为20时，將会打开libc_malloc_debug_qemu.so库文件，malloc_debug_initialize()函数的实现在malloc_debug_qemu.cpp文件中。

接着，针对不同的debug_level，解析出不同的内存操作函数malloc/free/calloc/realloc/memalign实现。对于debug_level等级1、5、10的情况，malloc/free/calloc/realloc/memalign各种版本的实现位于文件bionic/libc/bionic/malloc_debug_leak.cpp和malloc_debug_check.cpp中。

当debug_level为1调试memory leak时，其实现是打出backtrace：

leak_malloc()函数实现如下

extern "C" void* leak_malloc(size_t bytes) {
    if (DebugCallsDisabled()) {
        return g_malloc_dispatch->malloc(bytes);
    }

    // allocate enough space infront of the allocation to store the pointer for
    // the alloc structure. This will making free'ing the structer really fast!

    // 1. allocate enough memory and include our header
    // 2. set the base pointer to be right after our header

    size_t size = bytes + sizeof(AllocationEntry);
    if (size < bytes) { // Overflow.
        errno = ENOMEM;
        return NULL;
    }

    void* base = g_malloc_dispatch->malloc(size);
    if (base != NULL) {
        ScopedPthreadMutexLocker locker(&g_hash_table->lock);

        uintptr_t backtrace[BACKTRACE_SIZE];
        size_t numEntries = GET_BACKTRACE(backtrace, BACKTRACE_SIZE);

        AllocationEntry* header = reinterpret_cast<AllocationEntry*>(base);
        header->entry = record_backtrace(backtrace, numEntries, bytes);
        header->guard = GUARD;

        // now increment base to point to after our header.
        // this should just work since our header is 8 bytes.
        base = reinterpret_cast<AllocationEntry*>(base) + 1;
    }

    return base;
}

extern bool g_backtrace_enabled;

#define GET_BACKTRACE(bt, depth) \
  (g_backtrace_enabled ? get_backtrace(bt, depth) : 0)

该malloc函数在实际分配的bytes字节前额外分配了一块数据用作AllocationEntry。在分配内存成功后，分配了一个拥有32个元素的指针数组，用于存放调用堆栈指针，调用宏函数GET_BACKTRACE将调用堆栈保存起来，也就是将各函数指针保存到数组backtrace中；然后使用record_backtrace记录下该调用堆栈，然后让AllocationEntry的entry成员指向它。函数record_backtrace会通过hash值在全局调用堆栈表gHashTable里查找。若没找到，则创建一项调用堆栈信息，将其加入到全局表中。最后，将base所指向的地方往后移一下，然后它，就是分配的内存地址。

可见，该版本的malloc函数额外记录了调用堆栈的信息。通过在分配的内存块前加一个头的方式，保存了如何查询hash表调用堆栈信息的entry。

再来看一下record_backtrace函数，在分析其代码之前，看一下结构体（文件malloc_debug_common.h）：

#define HASHTABLE_SIZE      1543

// =============================================================================
// Structures
// =============================================================================

struct HashEntry {
    size_t slot;
    HashEntry* prev;
    HashEntry* next;
    size_t numEntries;
    // fields above "size" are NOT sent to the host
    size_t size;
    size_t allocations;
    uintptr_t backtrace[0];
};

struct HashTable {
    pthread_mutex_t lock;
    size_t count;
    HashEntry* slots[HASHTABLE_SIZE];
};

在一个进程中，有一个全局的变量gHashTable，用于记录谁最终调用了malloc分配内存的调用堆栈列表。gHashTable的类型是HashTable，其有一个指针，这个指针指向一个slots数组，该数组的最大容量是1543；数组中有多少有效的值由另一个成员count记录。可以通过backtrace和 numEntries得到hash值，再与HASHTABLE_SIZE整除得到HashEntry在该数组中的索引，这样就可以根据自身信息根据hash，快速得到在数组中的索引。

另一个结构体是HashEntry，因其成员存在指向前后的指针，所以它也是个链表，hash值相同将添加到链表的后面。HashEntry第一个成员slot就是自身在数组中的索引，亦即由hash运算而来；最后一项即调用堆栈backtrace[0]，里面是函数指针，这个数组具体有多少项则由另一个成员numEntries记录；size表示该次分配的内存的大小；allocations是分配次数，即有多少次同一调用路径。

这两个数据结构关系可由下图表示：

在leak_malloc中调用record_backtrace记录堆栈信息时，先由backtrace和numEntries得到hash值，再整除运算后得到在gHashTable中的数组索引；接着检查是否已经存在该项，即有没有分配了相同内存大小、同一调用路径、记录了相当数量的函数指针的HashEntry。若有，则直接在原有项上的allocations加1，没有则创建新项：为HashEntry结构体分配内存，然后调用堆栈信息复制给HashEntry最后的一个成员backtrace。最后，还要为整个表格增加计数。

这样record_backtrace函数完成了向全局表中添加backtrace信息的任务：要么新增加一项HashEntry，要么增加索引。

static HashEntry* record_backtrace(uintptr_t* backtrace, size_t numEntries, size_t size) {
    size_t hash = get_hash(backtrace, numEntries);
    size_t slot = hash % HASHTABLE_SIZE;

    if (size & SIZE_FLAG_MASK) {
        debug_log("malloc_debug: allocation %zx exceeds bit width\n", size);
        abort();
    }

    if (gMallocLeakZygoteChild) {
        size |= SIZE_FLAG_ZYGOTE_CHILD;
    }

    HashEntry* entry = find_entry(g_hash_table, slot, backtrace, numEntries, size);

    if (entry != NULL) {
        entry->allocations++;
    } else {
        // create a new entry
        entry = static_cast<HashEntry*>(g_malloc_dispatch->malloc(sizeof(HashEntry) + numEntries*sizeof(uintptr_t)));
        if (!entry) {
            return NULL;
        }
        entry->allocations = 1;
        entry->slot = slot;
        entry->prev = NULL;
        entry->next = g_hash_table->slots[slot];
        entry->numEntries = numEntries;
        entry->size = size;

        memcpy(entry->backtrace, backtrace, numEntries * sizeof(uintptr_t));

        g_hash_table->slots[slot] = entry;

        if (entry->next != NULL) {
            entry->next->prev = entry;
        }

        // we just added an entry, increase the size of the hashtable
        g_hash_table->count++;
    }

    return entry;
}

而在leak_free()函数中会释放上述全局hash表中的堆栈项

extern "C" void leak_free(void* mem) {
  if (DebugCallsDisabled()) {
    return g_malloc_dispatch->free(mem);
  }

  if (mem == NULL) {
    return;
  }

  ScopedPthreadMutexLocker locker(&g_hash_table->lock);

  // check the guard to make sure it is valid
  AllocationEntry* header = to_header(mem);

  if (header->guard != GUARD) {
    // could be a memaligned block
    if (header->guard == MEMALIGN_GUARD) {
      // For memaligned blocks, header->entry points to the memory
      // allocated through leak_malloc.
      header = to_header(header->entry);
    }
  }

  if (header->guard == GUARD || is_valid_entry(header->entry)) {
    // decrement the allocations
    HashEntry* entry = header->entry;
    entry->allocations--;
    if (entry->allocations <= 0) {
      remove_entry(entry);
      g_malloc_dispatch->free(entry);
    }

    // now free the memory!
    g_malloc_dispatch->free(header);
  } else {
    debug_log("WARNING bad header guard: '0x%x'! and invalid entry: %p\n",
              header->guard, header->entry);
  }
}

该函数传入的参数是调用malloc()函数返回的内存地址，首先检查mem是否为NULL，若为NULL，直接返回，该函数什么也没干，若不为空，取出AllocationEntry结构体，进而得到类型为HashEntry*的变量entry。接下来，先对成员allocations减一操作，若该引用计数小于等于0，则从hash表中移除，并释放entry占用的内存空间。最后，不管成员allocations的值是多少，都会释放由malloc()分配的内存空间。

因此，在全局表中剩下的未被释放的项，就是分配了内存但未被释放的调用了malloc的调用堆栈。

那么，如何获取一个进程malloc的分配情况呢？接下来，就看一下bionic库提供的API - get_malloc_leak_info()函数，该函数用于获取内存泄露信息。在分配内存时，记录下调用堆栈，在释放时清除它们。这样，剩下的就很有可能是产生内存泄露的地方。

// Retrieve native heap information.
//
// "*info" is set to a buffer we allocate
// "*overallSize" is set to the size of the "info" buffer
// "*infoSize" is set to the size of a single entry
// "*totalMemory" is set to the sum of all allocations we're tracking; does
//   not include heap overhead
// "*backtraceSize" is set to the maximum number of entries in the back trace

// =============================================================================
// Exported for use by ddms.
// =============================================================================
extern "C" void get_malloc_leak_info(uint8_t** info, size_t* overallSize,
    size_t* infoSize, size_t* totalMemory, size_t* backtraceSize) {
  // Don't do anything if we have invalid arguments.
  if (info == NULL || overallSize == NULL || infoSize == NULL ||
    totalMemory == NULL || backtraceSize == NULL) {
    return;
  }
  *totalMemory = 0;

  ScopedPthreadMutexLocker locker(&g_hash_table.lock);
  if (g_hash_table.count == 0) {
    *info = NULL;
    *overallSize = 0;
    *infoSize = 0;
    *backtraceSize = 0;
    return;
  }

  HashEntry** list = static_cast<HashEntry**>(Malloc(malloc)(sizeof(void*) * g_hash_table.count));

  // Get the entries into an array to be sorted.
  size_t index = 0;
  for (size_t i = 0 ; i < HASHTABLE_SIZE ; ++i) {
    HashEntry* entry = g_hash_table.slots[i];
    while (entry != NULL) {
      list[index] = entry;
      *totalMemory = *totalMemory + ((entry->size & ~SIZE_FLAG_MASK) * entry->allocations);
      index++;
      entry = entry->next;
    }
  }

  // XXX: the protocol doesn't allow variable size for the stack trace (yet)
  *infoSize = (sizeof(size_t) * 2) + (sizeof(uintptr_t) * BACKTRACE_SIZE);
  *overallSize = *infoSize * g_hash_table.count;
  *backtraceSize = BACKTRACE_SIZE;

  // now get a byte array big enough for this
  *info = static_cast<uint8_t*>(Malloc(malloc)(*overallSize));
  if (*info == NULL) {
    *overallSize = 0;
    Malloc(free)(list);
    return;
  }

  qsort(list, g_hash_table.count, sizeof(void*), hash_entry_compare);

  uint8_t* head = *info;
  const size_t count = g_hash_table.count;
  for (size_t i = 0 ; i < count ; ++i) {
    HashEntry* entry = list[i];
    size_t entrySize = (sizeof(size_t) * 2) + (sizeof(uintptr_t) * entry->numEntries);
    if (entrySize < *infoSize) {
      // We're writing less than a full entry, clear out the rest.
      memset(head + entrySize, 0, *infoSize - entrySize);
    } else {
      // Make sure the amount we're copying doesn't exceed the limit.
      entrySize = *infoSize;
    }
    memcpy(head, &(entry->size), entrySize);
    head += *infoSize;
  }

  Malloc(free)(list);
}

函数get_malloc_leak_info()一共接收5个参数，用于存放各种变量的地址，调用结束后，这些变量将得到修改。如其代码注释所说：
*info将指向在该函数中分配的整块内存，这些内存空间大小为overallSize；
整个空间若干小项组成，每项的大小为infoSize，这个小项的数据结构等同于HashEntry中自size成员开始的结构，即第一个成员是malloc分配的内存大小size，第二个成员是记录的分配次数allocations，即多次有着相同调用堆栈的计数，最后一项是backtrace，共32（BACKTRACE_SIZE）个指针值的空间。因此，*info指向的大内存块包含了共有overallSize/infoSize个小项。注意HashEntry中backtrace数组是按实际数量分配的，而此处则统一按32个分配空间，若不到32个，则后面的值置0；
totalMemory是malloc分配的所有内存的大小；

最后一个参数是backtraceSize，即32（BACKTRACE_SIZE）

该函数首先检查传递进来的参数的合法性，以及全局堆栈中是否有堆栈项。接着，查看全局堆栈表中有多少项，然后分配内存，构建数组list，用于保存指针，这些指针用于指向gHashTable中所有的HashEntry项，在遍历全局堆栈哈希表时，对数组list进行赋值，并顺便计算出已分配的但未释放的内存空间大小totalMemory（用于返回给调用者）。然后，对参数infoSize，overallSize，backtraceSize进行赋值，并为info分配大小为overallSize的内存空间。目前，list中保存的是所有的HashEntry项，先对list排序，接着，遍历数组list，把HashEntry中的size,allocations,backtraces[32]拷贝到info指向的内存中。info用于返回给调用者，至此，通过调用get_malloc_leak_info()函数，就可以得到进程的内存malloc堆栈。与其对应的还有一个get_malloc_leak_free()函数，用于释放info指向的内存空间。

总结

当程序运行结束时，一般来说，内存都应该释放，这时我们可以调用get_malloc_leak_info获取未被释放的调用堆栈项。原理上，这些就是内存泄露的地方。但实际情况可能是，在我们运行get_malloc_leak_info时，某些内存应该保留还不应该释放。
另外，我们有时要检查的进程是守护进程，不会退出。所以有些内存应该一直保持下去，不被释放。这时，我们可以选择某个状态的一个时刻来查看未释放的内存，比如在刚进入时的idle状态时的一个时刻，使用get_malloc_leak_info获取未释放的内存信息，然后在程序执行某些操作结束后返回Idle状态时，再次使用get_malloc_leak_info获取未释放的内存信息。两种信息对比，新多出来的调用堆栈项，就存在涉嫌内存泄露。