# 内存问题难定位，那是因为你没用 ASAN

## 1. 什么是 ASAN

ASAN 全称：Address Sanitizer,google 发明的一种内存地址错误检查器。目前已经被集成到各大编译器中。

## 2. 为什么我们需要 ASAN

在 c/c++ 开发过程中，经常出现内存异常使用的问题，比如踩内存，被踩的内存如果未被使用对外无影响。而一旦使用了被踩的内存，可能会出现进程 core，死循环，进入异常分支等等各种千奇百怪的问题。这个时候要去定位这段内存为什么被踩，相当困难，因为已经错过了案发现场。如果不幸，遇到了这种问题，常用手段是：

1）分析被踩内存的特征值，比如是否是一个 magic 值，然后从代码库中找特征值，分析代码，缩小排查方向。

2）找到必现条件，通过 gdb 的 watch 功能，watch 被踩的内存地址，一旦被踩，gdb 将会打出踩内存的堆栈。

根据作者的经验，出现踩内存的问题需要消耗大量的人力定位。少则一人周，多种数人月。而这类问题，往往是由于某个低级编码错误引起的。

所以，我们迫切的希望，能在踩内存的第一现场就把凶手抓住，而不是在破坏已经表现出来的时候再去分析定位。而 asan 就能达到这个目的，它会接管内存的申请和释放，每次的内存的读写都会检查，因此可以做到快速的定位踩内存的问题。在 asan 之前也有其他的内存分析工具，但是 asan 是这些工具中比较优秀的，并不会损失大量的性能和内存（官方数据，性能下降两倍，而 valgrind 下降 20 倍）

## 3.ASAN 可以定位哪些内存使用问题

1、Heap OOB（HeapOutOfBounds 堆内存越界）

```text
int main(int argc, char **argv) {
  int *array = new int[100];
 array[0] = 0;
  int res = array[argc + 100]; // BOOM
 delete [] array;
 return res;
}
```

2、Stack OOB（StackOutOfBounds 栈越界）

```text
int main(int argc, char **argv) {
  int stack_array[100];
 stack_array[1] = 0;
 return stack_array[argc + 100]; // BOOM
}
```

3、Global OOB（GlobalOutOfBounds 全局变量越界）

```text
int global_array[100] = {-1};
int main(int argc, char **argv) {
 return global_array[argc + 100]; // BOOM
}
```

4、UAF（UseAfterFree 内存释放后使用）

```text
int main(int argc, char **argv) {
  int *array = new int[100];
 delete [] array;
 return array[argc]; // BOOM
}
```

5、UAR（UseAfterReturn 栈内存回收后使用，该功能还存在少量 bug，默认未开启，开启 ASAN_OPTIONS=detect_stack_use_after_return=1）

```text
int *ptr;
__attribute__((noinline))
void FunctionThatEscapesLocalObject() {
  int local[100];
 ptr = &local[0];
}
int main(int argc, char **argv) {
 FunctionThatEscapesLocalObject();
 return ptr[argc];
}
```

6、UMR (uninitialized memory reads 读取未初始化内存)

7、Leaks（内存泄露）

## 4. 怎么使用 ASAN 工具

现在大部分编译器已经集成了支持 asan 的能力，编译的时候加上编译选项即可。

常见的编译选项：

- -fsanitize=address 开起 asan 能力，gcc 4.8 版本开启支持。
- -fsanitize-recover=address ：asan 检查到错误后，不 core 继续运行，需要配合环境变量 ASAN_OPTIONS=halt_on_error=0:report_path=xxx 使用。gcc 6 版本开始支持。

本文使用的是华为 EulerOS v2r9 版本。

下面开始我们的 asan 之旅

1、写个 bug，写一个释放后的内存还在使用的例子。

```text
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int *p = malloc(sizeof(int)*10);
 free(p);
 *p = 3;//该程序正常情况下并不会导致进程core，因为free后的内存被glibc的内存分配器缓存着
 return 0;
}
```

2、加上编译选项编译：gcc -fsanitize=address -g ./test.c -lasan -L /root/buildbox/gcc-10.2.0/lib64/ 其中 - L 指定的是 libasan.so 存放的位置。

3、指定 asan 的 so 的目录，export LD_LIBRARY_PATH=/root/buildbox/gcc-10.2.0/lib64/，执行./a.out 执行程序，将可以看到 asan 报错。指出了内存异常使用的位置和原因。

![img](https://f.pz.al/pzal/2022/09/14/0743a0b3ade06.jpg)

4、在工程中，我们更希望程序遇到错误能不中断，而继续执行下去，我们可以使用 -fsanitize-recover=address 方法。这次我们更改下代码，多引入几个错误。

```text
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int *p = malloc(sizeof(int)*10);
 free(p);
 *p = 3; //错误1.释放后继续使用
    p = malloc(sizeof(int)*10);
    p[11] = 3;//错误2，越界写
 return 0;
}
```

5、编译：gcc -fsanitize=address -fsanitize-recover=address -g ./test.c -lasan -L /root/buildbox/gcc-10.2.0/lib64/

6、设置环境变量：export ASAN_OPTIONS=halt_on_error=0:log_path=/var/log/err.log，执行程序./a.out

7、查看日志路径：在 /var/log 目录下，形成一个 err.log.212 的文件，212 是执行./a.out 的进程号。文件记录了详细的错误信息。

![img](https://f.pz.al/pzal/2022/09/14/0ea37d031f648.jpg)

![img](https://f.pz.al/pzal/2022/09/14/272b20ba522c3.jpg)

## 5. ASAN 的原理是什么

ASAN 要记录每一块内存的可用性。把用户程序所在的内存区域叫做主内存，而记录主内存可用性的内存区域，则叫做影子内存 (Shadow memory)。

所有主内存的分配都按照 8 字节的方式对齐。然后按照 1：8 的压缩比例对主内存的可用性进行记录，然后存入影子内存中。影子内存无法被用户直接读写，需要编译器生成相关的代码来访问。

每一次内存的分配和释放，都会写入影子内存。每次读 / 写内存区域前，都会读取一下影子内存，获得这块内存访问合法性 (是否被分配，是否已被释放)。

对影子内存的写入只在分配内存的时候发生，所以只要分配内存是多线程安全的，ASan 就是多线程安全的，这在大部分情况下也确实成立。

感兴趣的伙伴可以在3A云服务器上部署相关环境进行测试，计算影子内存的地址需要快速，他们采用了：主内存地址除以 8，再加上一个偏移量的做法。因为堆栈分别在虚拟内存地址空间的两端，这样影子内存就会落在中间。而如果用户以外访问了影子内存，那么影子内存的 "影子内存" 就会落到一个非法的范围 (Shadow Gap) 内，就可以知道访问出了些问题。

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