18-案例篇：内存泄漏了，我该如何定位和处理？

内存的分配和回收

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、栈以及文件映射段等。
这些内存段正是应用程序使用内存的基本方式。

举个例子，在程序中定义了一个局部变量，比如一个整数数组int data[64] ，就定义了一个可以存储64个整数的内存段。
由于这是一个局部变量，它会从内存空间的栈中分配内存。

栈内存由系统自动分配和管理。
一旦程序运行超出了这个局部变量的作用域，栈内存就会被系统自动回收，所以不会产生内存泄漏的问题。

再比如，很多时候，事先并不知道数据大小，所以就要用到标准库函数malloc() ，在程序中动态分配内存。
这时候，系统就会从内存空间的堆中分配内存。

堆内存由应用程序自己来分配和管理。
除非程序退出，这些堆内存并不会被系统自动释放，而是需要应用程序明确调用库函数free()来释放它们。
如果应用程序没有正确释放堆内存，就会造成内存泄漏。

其他内存段是否也会导致内存泄漏呢？

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漏。
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漏。
内存映射段，包括动态链接库和共享内存，其中共享内存由程序动态分配和管理。
所以，如果程序在分配后忘了回收，就会导致跟堆内存类似的泄漏问题。

内存泄漏的危害非常大，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。
内存泄漏不断累积，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I/O的性能问题等等。

案例

实验环境

# 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

# 安装bcc-tools包，需要4.x的内核版本才行
[root@VM-0-11-centos ~]# uname -r
4.18.0-305.3.1.el8.x86_64

# centos7.6版本 参考这篇博客:https://www.cnblogs.com/lichengguo/p/15668561.html
# centos8.2的内核版本符合要求
[root@VM-0-11-centos ~]# cat /etc/redhat-release
CentOS Linux release 8.2.2004 (Core)
[root@VM-0-11-centos ~]# python3
Python 3.6.8 (default, Mar 19 2021, 05:13:41)
[GCC 8.4.1 20200928 (Red Hat 8.4.1-1)] on linux
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>

# bcc-tools 需要内核版本为 4.1 或者更高，
# 如果使用的是CentOS7或者其他内核版本比较旧的系统，那么你需要手动升级内核版本后再安装
# python要3.0以上的版本（这个带验证）
[root@VM-0-11-centos ~]# yum install docker sysstat bcc-tools -y

# 配置环境变量
[root@VM-0-11-centos ~]# vi /etc/profile
export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools
[root@VM-0-11-centos ~]# source /etc/profile

# 测试
[root@VM-0-11-centos ~]# cachestat 1 3
    HITS   MISSES  DIRTIES HITRATIO   BUFFERS_MB  CACHED_MB
       0        0        0    0.00%            2        261
       0        0        0    0.00%            2        261
       0        0        0    0.00%            2        261

执行下面的命令来运行案例

[root@VM-0-11-centos ~]# docker run --name=app -itd feisky/app:mem-leak

如果一切正常，可以看到下面这个界面

[root@VM-0-11-centos ~]# docker logs app
2th => 1
3th => 2
4th => 3
5th => 5
6th => 8
7th => 13

运行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
[root@VM-0-11-centos ~]# 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
 2  0      0 2087792  55384 1404140    0    0   603  2679  510  671 11  2 86  1  0
 0  0      0 2087512  55392 1404168    0    0     0    29  342  591  0  0 100  0  0
 0  0      0 2085504  55400 1404172    0    0     0    24  526  908  1  1 99  0  0
 0  0      0 2086528  55400 1404172    0    0     0     0  800 1363  0  0 99  0  0
 0  0      0 2086544  55408 1404176    0    0     0     7  358  642  0  0 99  0  0
 0  0      0 2086528  55408 1404184    0    0     0     0  384  664  0  0 100  0  0
 0  0      0 2084116  55416 1404184    0    0     0   136  306  557  0  0 100  0  0
 0  0      0 2083960  55416 1404184    0    0     0     0  315  565  0  0 100  0  0
 0  0      0 2083872  55424 1404192    0    0     0    33  382  653  0  0 99  0  0
 0  0      0 2083896  55432 1404192    0    0     0    19  281  526  0  0 100  0  0
 0  0      0 2083800  55432 1404192    0    0     0     1  309  558  0  0 100  0  0
 0  0      0 2083780  55440 1404200    0    0     0     9  356  617  0  0 100  0  0
 2  0      0 2083768  55440 1404200    0    0     0     0  309  552  0  0 100  0  0
 0  0      0 2083772  55448 1404204    0    0     0    17  366  642  0  0 100  0  0
 0  0      0 1918536  55456 1404232    0    0     7    11  557  639  8  2 91  0  0
 0  0      0 1918316  55456 1404240    0    0     0     0  405  668  0  0 100  0  0

从输出中可以看到，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

未使用内存在逐渐减小，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漏，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组来缓存计算结果，占用内存自然会增长

那怎么确定是不是内存泄漏呢？或者换句话说，有没有简单方法找出让内存增长的进程，并定位增长内存用在哪儿呢？
memleak工具可以跟踪系统或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）

memleak是bcc软件包中的一个工具

# -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
[root@VM-0-11-centos ~]# memleak -a -p $(pidof app)
[14:43:01] Top 10 stacks with outstanding allocations:
	addr = 7f51780752d0 size = 8192
	addr = 7f51780732c0 size = 8192
	addr = 7f517806f2a0 size = 8192
	addr = 7f51780772e0 size = 8192
	addr = 7f51780712b0 size = 8192
	40960 bytes in 5 allocations from stack
		fibonacci+0x1f [app]
		child+0x4f [app]
		start_thread+0xdb [libpthread-2.27.so]

[14:43:06] Top 10 stacks with outstanding allocations:
	addr = 7f51780752d0 size = 8192
	addr = 7f517807b300 size = 8192
	addr = 7f51780732c0 size = 8192
	addr = 7f517807f320 size = 8192
	addr = 7f51780792f0 size = 8192
	addr = 7f517806f2a0 size = 8192
	addr = 7f517807d310 size = 8192
	addr = 7f51780772e0 size = 8192
	addr = 7f51780712b0 size = 8192
	addr = 7f5178081330 size = 8192
	81920 bytes in 10 allocations from stack
		fibonacci+0x1f [app]
		child+0x4f [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
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


############################################################
如果fibonacci+0x1f [app] 这里显示的是[unknown] [app]
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，这个路径的确不存在
[root@VM-0-11-centos ~]# ls /app
ls: cannot access '/app': No such file or directory
类似的问题，在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，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
[root@VM-0-11-centos ~]# docker cp app:/app /app
[root@VM-0-11-centos ~]# 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，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
############################################################

查看源代码

root@VM-0-11-centos ~]# docker exec app cat /app.c
......
long long *fibonacci(long long *n0, long long *n1)
{
  // 分配 1024 个长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);
	}
}


int main(void)
{
	pthread_t tid;
	pthread_create(&tid, NULL, child, NULL);
	pthread_join(tid, NULL);
	printf("main thread exit\n");
	return 0;

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

修复

# 清理原来的案例应用
[root@VM-0-11-centos ~]# docker rm -f app

# 运行修复后的应用
[root@VM-0-11-centos ~]#  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
[root@VM-0-11-centos ~]# memleak -a -p `pidof app`
......
Attaching to pid 14601, Ctrl+C to quit.
[15:05:43] Top 10 stacks with outstanding allocations:
[15:05:48] Top 10 stacks with outstanding allocations:

可以看到，案例应用已经没有遗留内存，证明修复工作成功完成

小结

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。

如果已经完成了开发任务，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。

posted @ 2021-12-09 15:40 李成果阅读(257) 评论(0) 编辑收藏举报

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