在使用沒有垃圾回收的語言時(shí)（如 C/C++），可能由于忘記釋放內(nèi)存而導(dǎo)致內(nèi)存被耗盡，這叫內(nèi)存泄漏。由于內(nèi)核也需要自己管理內(nèi)存，所以也可能出現(xiàn)內(nèi)存泄漏的情況。為了能夠找出導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的地方，Linux 內(nèi)核開發(fā)者開發(fā)出 kmemleak 功能。

(相關(guān)資料圖)

下面我們來詳細(xì)介紹一下 kmemleak 這個(gè)功能的原理與實(shí)現(xiàn)。

kmemleak 原理

首先來分析一下，什么情況會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

1. 造成內(nèi)存泄漏的原因

內(nèi)存泄漏的根本原因是由于用戶沒有釋放不再使用的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存（在內(nèi)核中由memblock_alloc、kmalloc、vmalloc、kmem_cache_alloc等函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存），那么哪些內(nèi)存是不再使用的呢？一般來說，沒有被指針引用（指向）的內(nèi)存都是不再使用的內(nèi)存。因?yàn)檫@些內(nèi)存已經(jīng)丟失了其地址信息，從而導(dǎo)致內(nèi)核不能再使用這些內(nèi)存。

我們來看看下圖的事例：

如上圖所示，指針A原來指向內(nèi)存塊A，但后來指向新申請(qǐng)的內(nèi)存塊B，從而導(dǎo)致內(nèi)存塊A的內(nèi)存地址信息丟失。如果此時(shí)用戶沒有及時(shí)釋放掉內(nèi)存塊A，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

當(dāng)然少量的內(nèi)存泄漏并不會(huì)造成很嚴(yán)重的效果，但如果是頻發(fā)性的內(nèi)存泄漏，將會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)存資源耗盡，從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

2. 內(nèi)核中的指針

既然沒有指針引用的內(nèi)存屬于泄漏的內(nèi)存，那么只需要找出系統(tǒng)是否存在沒有指針引用的內(nèi)存，就可以判斷系統(tǒng)是否存在內(nèi)存泄漏。

那么，怎么找到內(nèi)核中的所有指針呢？我們知道，指針一般存放在內(nèi)核數(shù)據(jù)段、內(nèi)核棧和動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存塊中。如下圖所示：

但內(nèi)核并沒有對(duì)指針進(jìn)行記錄，也就是說內(nèi)核并不知道這些區(qū)域是否存在指針。那么內(nèi)核只能夠把這些區(qū)域當(dāng)成是由指針組成的，也就是說把這些區(qū)域中的每個(gè)元素都當(dāng)成是一個(gè)指針。如下圖所示：

當(dāng)然，把所有元素都當(dāng)成是指針是一個(gè)假設(shè)，所以會(huì)存在誤判的情況。不過這也沒關(guān)系，因?yàn)閗memleak這個(gè)功能只是為了找到內(nèi)核中疑似內(nèi)存泄漏的地方。

3. 記錄動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊

前面說過，kmemleak 機(jī)制用于分析由memblock_alloc、kmalloc、vmalloc、kmem_cache_alloc等函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存是否存在泄漏。

分析的依據(jù)是：掃描內(nèi)核中所有的指針，然后判斷這些指針是否指向了由memblock_alloc、kmalloc、vmalloc、kmem_cache_alloc等函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存塊。如果存在沒有指針引用的內(nèi)存塊，那么就表示可能存在內(nèi)存泄漏。

所以，當(dāng)使用memblock_alloc、kmalloc、vmalloc、kmem_cache_alloc等函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，內(nèi)核會(huì)把申請(qǐng)到的內(nèi)存塊信息記錄下來，用于后續(xù)掃描時(shí)使用。內(nèi)核使用kmemleak_object對(duì)象來記錄這些內(nèi)存塊的信息，然后通過一棵紅黑樹把這些kmemleak_object對(duì)象組織起來（使用內(nèi)存塊的地址作為鍵），如下圖所示：

所以內(nèi)存泄漏檢測(cè)的原理是：

遍歷內(nèi)核中所有的指針，然后從紅黑樹中查找是否存在對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊，如果存在就把內(nèi)存塊打上標(biāo)記。所有指針掃描完畢后，再遍歷紅黑樹中所有kmemleak_object對(duì)象。如果發(fā)現(xiàn)沒有打上標(biāo)記的內(nèi)存塊，說明存在內(nèi)存泄漏（也就是說，存在沒有被指針引用的內(nèi)存塊），并且將對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊信息記錄下來。kmemleak 實(shí)現(xiàn)

了解了 kmemleak 機(jī)制的原理后，現(xiàn)在我們來分析其代碼實(shí)現(xiàn)。

1. kmemleak_object 對(duì)象

上面介紹過，內(nèi)核通過kmemleak_object對(duì)象來記錄動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊的信息，其定義如下：

structkmemleak_object{spinlock_tlock;unsignedlongflags;/*objectstatusflags*/structlist_headobject_list;structlist_headgray_list;structrb_noderb_node;...atomic_tuse_count;unsignedlongpointer;size_tsize;intmin_count;intcount;...pid_tpid;/*pidofthecurrenttask*/charcomm[TASK_COMM_LEN];/*executablename*/};

kmemleak_object對(duì)象的成員字段比較多，現(xiàn)在我們重點(diǎn)關(guān)注rb_node、pointer和size這 3 個(gè)字段：

rb_node：此字段用于將kmemleak_object對(duì)象連接到紅黑樹中。pointer：用于記錄內(nèi)存塊的起始地址。size：用于記錄內(nèi)存塊的大小。

內(nèi)核就是通過這 3 個(gè)字段，把kmemleak_object對(duì)象連接到全局紅黑樹中。

例如利用kmalloc函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，最終會(huì)調(diào)用create_object來創(chuàng)建kmemleak_object對(duì)象，并且將其添加到全局紅黑樹中。我們來看看create_obiect函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，如下：

...//紅黑樹的根節(jié)點(diǎn)staticstructrb_rootobject_tree_root=RB_ROOT;...staticstructkmemleak_object*create_object(unsignedlongptr,size_tsize,intmin_count,gfp_tgfp){unsignedlongflags;structkmemleak_object*object,*parent;structrb_node**link,*rb_parent;//申請(qǐng)一個(gè)新的kmemleak_object對(duì)象object=kmem_cache_alloc(object_cache,gfp_kmemleak_mask(gfp));...object->pointer=ptr;object->size=size;//將新申請(qǐng)的kmemleak_object對(duì)象添加到全局紅黑樹中...link=&object_tree_root.rb_node;//紅黑樹根節(jié)點(diǎn)rb_parent=NULL;//找到kmemleak_object對(duì)象插入的位置（參考平衡二叉樹的算法）while(*link){rb_parent=*link;parent=rb_entry(rb_parent,structkmemleak_object,rb_node);if(ptr+size<=parent->pointer)link=&parent->rb_node.rb_left;elseif(parent->pointer+parent->size<=ptr)link=&parent->rb_node.rb_right;else{...gotoout;}}//將kmemleak_object對(duì)象插入到紅黑樹中rb_link_node(&object->rb_node,rb_parent,link);rb_insert_color(&object->rb_node,&object_tree_root);out:...returnobject;}

雖然create_obiect函數(shù)的代碼比較長(zhǎng)，但是邏輯卻很簡(jiǎn)單，主要完成 2 件事情：

申請(qǐng)一個(gè)新的kmemleak_object對(duì)象，并且初始化其各個(gè)字段。將新申請(qǐng)的kmemleak_object對(duì)象添加到全局紅黑樹中。

將kmemleak_object對(duì)象插入到全局紅黑樹的算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的平衡二叉樹算法是一致的，所以不了解的同學(xué)可以查閱相關(guān)的資料。

2. 內(nèi)存泄漏檢測(cè)

當(dāng)開啟內(nèi)存泄漏檢測(cè)時(shí)，內(nèi)核將會(huì)創(chuàng)建一個(gè)名為kmemleak的內(nèi)核線程來進(jìn)行檢測(cè)。

在分析內(nèi)存檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)之前，我們先來了解一下關(guān)于kmemleak_object對(duì)象的三個(gè)概念：

白色節(jié)點(diǎn)：表示此對(duì)象沒有被指針引用（count字段少于min_count字段）。灰色節(jié)點(diǎn)：表示此對(duì)象被一個(gè)或多個(gè)指針引用（count字段大于或等于min_count字段）。黑色節(jié)點(diǎn)：表示此對(duì)象不需要被掃描（min_count字段等于 -1）。

接著我們來看看kmemleak內(nèi)核線程的實(shí)現(xiàn)：

staticintkmemleak_scan_thread(void*arg){...while(!kthread_should_stop()){...kmemleak_scan();//進(jìn)行內(nèi)存泄漏掃描...}return0;}

可以看出kmemleak內(nèi)核線程主要通過調(diào)用kmemleak_scan函數(shù)來進(jìn)行內(nèi)存泄漏掃描。我們繼續(xù)來看看kmemleak_scan函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

staticvoidkmemleak_scan(void){...//1)將所有kmemleak_object對(duì)象的count字段置0，表示開始時(shí)全部是白色節(jié)點(diǎn)list_for_each_entry_rcu(object,&object_list,object_list){...object->count=0;...}...//2)掃描數(shù)據(jù)段與未初始化數(shù)據(jù)段scan_block(_sdata,_edata,NULL,1);scan_block(__bss_start,__bss_stop,NULL,1);...//3)掃描所有內(nèi)存頁結(jié)構(gòu)，這是由于內(nèi)存頁結(jié)構(gòu)也可能引用其他內(nèi)存塊for_each_online_node(i){...for(pfn=start_pfn;pfn
由于kmemleak_scan函數(shù)的代碼比較長(zhǎng)，所以我們對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)。精簡(jiǎn)后可以看出，kmemleak_scan函數(shù)主要完成 5 件事情：
將系統(tǒng)中所有kmemleak_object對(duì)象的count字段置 0，表示掃描開始時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都是白色節(jié)點(diǎn)。調(diào)用scan_block函數(shù)掃描數(shù)據(jù)段與未初始化數(shù)據(jù)段，因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)域可能存在指針。掃描所有內(nèi)存頁結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閮?nèi)存頁結(jié)構(gòu)可能會(huì)引用其他內(nèi)存塊，所以也要對(duì)其進(jìn)行掃描。掃描所有進(jìn)程內(nèi)核棧，由于進(jìn)程內(nèi)核棧可能存在指針，所以要對(duì)其進(jìn)行掃描。掃描所有灰色節(jié)點(diǎn)，由于灰色節(jié)點(diǎn)也可能存在指針，所以要對(duì)其進(jìn)行掃描。
掃描主要通過scan_block函數(shù)進(jìn)行，我們來看看scan_block函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
staticvoidscan_block(void*_start,void*_end,structkmemleak_object*scanned,intallow_resched){unsignedlong*ptr;unsignedlong*start=PTR_ALIGN(_start,BYTES_PER_POINTER);unsignedlong*end=_end-(BYTES_PER_POINTER-1);//對(duì)內(nèi)存區(qū)進(jìn)行掃描for(ptr=start;ptrcount++;//判斷當(dāng)前對(duì)象是否灰色節(jié)點(diǎn)，如果是將其添加到灰色節(jié)點(diǎn)鏈表中if(color_gray(object)){list_add_tail(&object->gray_list,&gray_list);...continue;}...}}
scan_block函數(shù)主要完成以下幾個(gè)步驟：
遍歷內(nèi)存區(qū)所有指針。查找指針?biāo)玫膬?nèi)存塊是否存在于紅黑樹中，如果不存在就跳過處理此對(duì)象。如果kmemleak_object對(duì)象不是白色，說明已經(jīng)有指針引用此內(nèi)存塊，跳過處理此對(duì)象。對(duì)kmemleak_object對(duì)象的count字段進(jìn)行加一操作，表示有指針引用此內(nèi)存塊。判斷當(dāng)前kmemleak_object對(duì)象是否是灰色節(jié)點(diǎn)（count字段大于或等于min_count字段），如果是將其添加到灰色節(jié)點(diǎn)鏈表中。
掃描完畢后，所有白色的節(jié)點(diǎn)就是可能存在內(nèi)存泄漏的內(nèi)存塊。
 

關(guān)鍵詞：         
       內(nèi)存泄漏 
              
       是否存在 
              
       可能存在