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Valgrind的MemCheck工具,可以检测多种内存错误,它是如何做到的?

V bits

MemCheck构造出一个“虚拟CPU”。与真实CPU不同的是,虚拟CPU中的每一个bit,都有一个关联的“是否有效”bit( “valid-value” bit),用于表示它关联的bit是否有效(更确切地,应该是“是否初始化”)。以下称这个bit为V bit。

例如,当CPU从内存中加载一个4-byte int时,也同时从V-bit位图中加载32bits的V bits。当CPU把这个int写回某个地址时,这32bits的V bits也会被存回V-bit位图中。

也就是说,系统中的所有bits,都有对应的V bits。不仅仅是内存,甚至是CPU寄存器,也有它们的V bits。为了实现这样的功能,MemCheck需要为V bits提供强大的压缩能力。

仅仅是访问非法的数据,并不会直接触发MemCheck的报错。仅当这一错误影响到程序的执行结果时,才会报错。例如:

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int i, j;
int a[10], b[10];
for ( i = 0; i < 10; i++ ) {
j = a[i];
b[i] = j;
}

虽然访问a[i]时,未初始化,但是它并不会报错。因为这段程序仅仅是把未初始化的a[10]复制到b[10]。并没有把这些未初始的值用于某种判断或输出。如果程序改为:

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for ( i = 0; i < 10; i++ ) {
j += a[i];
}
if ( j == 77 )
printf("hello there\n");

MemCheck就会报错了。未初始化的值 a[i] 之和,被用于计算j并用于判断 if (j == 77)

在CPU做各种运算时(加,位运算等),操作数的V bits被引用,用于计算出运算结果的V bits。但是,即使这里包含非法的V bits,MemCheck仍然不会报错。仅当以下几种情况发生时,MemCheck才会去检查V bits的有效性:

  • 运算结果被用于生成地址
  • 影响程序控制流(如条件判断)
  • 有系统调用发生
  • 这样的机制似乎看起来过度设计了,但一旦联想到C语言中有一个常见的机制叫“结构体自动填充”,你就不会这么觉得了。以下这个例子:

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    struct S { int x; char c; };
    struct S s1, s2;
    s1.x = 42;
    s1.c = 'z';
    s2 = s1;
    if (s2) printf("s2\n");

    请问,以上代码中,是否有未初始化的赋值?答案是:有。 struct S 在除了x和c成员外,还有3 bytes的自动填充字段,而这部分字段是未被初始化的。作为C语言程序员,想必你不会希望MemCheck因未初始化的自动填充字段而报错。

    A bits

    在MemCheck构建的“虚拟CPU”之上,对应每一个数据,除了V bits外,还有表示地址有效性的Valid-address bits,简称A bits。与V bits不同的是:1)A bits仅仅针对内存中的数据存在,CPU寄存器中的数据,没有A bits。2)每一byte的内存数据,对应一bit的A bit。A bits用于表示程序是否可以合法地读写此地址的数据。

    每当程序读写内存时,MemCheck会检查对应地址的A bits。如果A bits指示当前的地方访问是非法的,将抛出告警。此时,MemCheck仅仅会检查A btis,而不会修改它。

    A bits是如何被构建出来的呢:

  • 进程启动时,所有全局变量的A bits被标记为“可被访问”。
  • malloc/new时,申请出来的内存,被标记为“可被访问”。它们被free时,该地址修改为“不可访问”。
  • 栈指针(stack pointer register,SP)上下移动时,A bits会被修改。在SP之上,至栈基地址之间的地址,被标记为“可被访问”。SP之下的地址,被标记为“不可访问”。
  • 系统调用时, A bits会被修改。例如: mmap 把一段地址映射进进程地址空间,会被标记为“可被访问”。
  • 程序可以主动告诉MemCheck,哪些地址应该被做何种标记。
  • 规则总结

    综合A bits与V bits,MemCheck检测内存错误,会遵循以下原则:

  • 内存中的每一byte数据,都有8 bits关联的V bits和1 bit的A bits。V bits表示对应的内存数据是否被初始化;A bits表示程序对此地址空间的访问,是否合法。经过压缩,A bits + V bits通常会增加25%的内存使用。
  • 当内存读写发生时,关联的A bits被取出,用于检查地址访问的合法性。MemCheck在发生非法访问时,会抛出异常。
  • 当内存被读进CPU寄存器时,关联的V bits被读进“虚拟CPU”中;* 当CPU寄存器中的数据被写进内存时,关联的V bits也从“虚拟CPU”中被写回内存中。
  • 当数据被用于生成地址,或会影响程序控制流(如条件判断)时,或数据用于系统调用,V bits被检查。其它情况下,V bits不作检查。当发现使用未初始化的数据,MemCheck会抛出异常。
  • 一旦V bits被检查过,它们就被置为“有效”。这一手段用于避免过多地重复报错。
  • 当数据从内存中加载进CPU时,MemCheck检查 A bits的合法性,在发现非法访问时抛出异常。当发生非法访问时,V bits被强制置为“有效”(尽管A bits为“不可访问”)。这种机制用于避免过多的冗余报错。
  • MemCheck会拦截内存访问接口 malloc, calloc, realloc, valloc, memalign, free, new, new[], delete, delete[] ,这些接口中发生系统调用时,对应地修改A bits和V bits。
  • https://courses.cs.washington.edu/courses/cse326/05wi/valgrind-doc/mc_techdocs.html
  • https://valgrind.org/docs/pubs.html
  • https://valgrind.org/docs/manual/mc-manual.html#mc-manual.machine
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