Linux 内核调试（二）内存检测

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原图

一般的内存访问错误如下。

  • 越界访问（out-of-bounds）
  • 访问已经被释放的内存（use after free）
  • 重复释放（double free）
  • 内存泄漏（memory leak）
  • 栈溢出（stack overflow）

本节主要介绍 Linux 内核中常用的内存检测的工具和方法。

slub_debug

在 Linux 内核中，对于小块内存分配，大量使用 slab/slub 分配器。slab/slub 分配器提供了一个内存检测功能，很方便在产品开发阶段进行内存检查。内存访问中比较容易出现错误的地方如下。

  • 访问己经被释放的内存
  • 越界访问
  • 释放己经释放过的内存

配置和编译内核

首先，需要重新配置内核选项，打开 CONFIG_SLUB、CONFIG_SLUB_DEBUG_ON 以及 CONFIG_SLUB_STATS 选项。

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# CONFIG_SLAB is not set
CONFIG_SLUB=y
CONFIG_SLUB_DEBUG_ON=y
CONFIG_SLUB_STATS=y

修改了上述配置文件之后，需要重新编译内核并更新根文件系统。

添加 slub_debug 选项

在内核 commandline 中添加 slub_debug 字符串来打开该功能。

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-append "nointrd root=/dev/vda rootfstype=ext4 rw loglevel=8 slub_debug=UFPZ" \

编译 slabinfo 工具

在 Linux-5.0 内核的 tools/vm 目录下编译 slabinfo 工具。

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# gcc slabinfo.c -o slabinfo

运行

加载驱动或运行程序，启动 slabinfo：

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$ slabinfo -v

之后如果有内存越界访问就会有异常 log 输出。

KASAN 内存检测

KASAN 在 Linux4.0 内核中被合并到官方 Linux 内核，他是一个动态检测内存错误的工具，可以检查内存越界访问和使用已经被释放的内存等问题。Linux 内核早期有一个类似的工具 kmemcheck，KASAN 比 kmemeheck 的检测速度更快。要使用 KASAN，必须打开 CONFIG_KASAN 等选项。

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<arch/arm64/configs/debian_defconfig>
CONFIG_HAVE_ARCH_KASAN=y
CONFIG_KASAN=y
CONFIG_KASAN_OUTLINE=y
CONFIG_KASAN_INLINE=y
CONFIG_TEST_KASAN=m

使用起来比较简单，不需要像 slab_debug 一样还有单独运行 slabinfo 程序。KASAN 启动后会动态监测内存访问，如果出错会打印相关 log 信息。

KASAN 总体效率比 slub_debug 要高得多，并且支持的内存错误访问类型更多。缺点是 KASAN 需要较新的内核（Linx4.4 内核才支持 ARM64 版本的 KASAN）和较新的 GCC 编译 器（GCC-4.9.2 以上）。

参考文献

《奔跑吧 Linux 内核》