一種定位虛擬操作系統(tǒng)內(nèi)存泄漏的方法

孫小偉，徐勁松，韓淑玲

（中興通訊 上海研發(fā)中心，上海201203）

引 言

內(nèi)存泄漏指由于疏忽或錯(cuò)誤造成程序未能釋放已經(jīng)不再使用的內(nèi)存。內(nèi)存泄漏分為兩種情況：堆內(nèi)存泄漏和系統(tǒng)內(nèi)存泄漏。堆內(nèi)存是指應(yīng)用程序從堆中分配的、大小任意的（內(nèi)存塊的大小可以在程序運(yùn)行期決定）、使用完后必須顯式釋放的內(nèi)存。本文所描述的方法只針對發(fā)生在虛擬操作系統(tǒng)里的堆內(nèi)存泄漏。

在諸如通信設(shè)備這樣采用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）[1]上 開 發(fā) 應(yīng) 用 程序，通常會在RTOS上搭建虛擬操作系統(tǒng)。虛擬操作系統(tǒng)處于應(yīng)用程序和RTOS之間，屏蔽了操作系統(tǒng)細(xì)節(jié)，提供了諸如內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、定時(shí)器管理、消息分發(fā)、有限狀態(tài)機(jī)（Finite-tate machine，F(xiàn)SM）[2]等功能，以接口的形式向上層應(yīng)用程序提供虛擬開發(fā)環(huán)境。虛擬操作系統(tǒng)相對于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的位置可以參考圖1。

有了虛擬操作系統(tǒng)后，內(nèi)存的申請和釋放都在虛擬操作系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序不直接接觸內(nèi)存，這樣內(nèi)存泄漏只可能發(fā)生在虛擬操作系統(tǒng)里。虛擬操作系統(tǒng)有兩個(gè)重要功能：內(nèi)存管理和進(jìn)程管理。

（1）內(nèi)存管理

系統(tǒng)上電初始化時(shí)，虛擬操作系統(tǒng)，就將所有內(nèi)存一次性申請好并按大小組織成多個(gè)堆棧。為了防止系統(tǒng)運(yùn)行引起的內(nèi)存碎片，一般將內(nèi)存空間劃分成多種大小，如16 B、32 B、64 B、128 B、256 B、512 B、1 KB、2 KB、4 KB、8 KB、16 KB，各種大小內(nèi)存塊的數(shù)量可根據(jù)需要配置。預(yù)分配的每塊緩沖區(qū)為一整段，用selector表示。初始化時(shí)，將全部selector值按大小壓入各自的堆棧。當(dāng)應(yīng)用程序申請分配內(nèi)存（GET＿UB）時(shí)，虛擬操作系統(tǒng)從相應(yīng)堆棧中彈出一個(gè)selector值，并返回給應(yīng)用程序使用；當(dāng)應(yīng)用程序釋放內(nèi)存（RET＿UB）時(shí)，虛擬操作系統(tǒng)將要釋放內(nèi)存的selector值壓入堆棧。

（2）進(jìn)程管理

虛擬操作系統(tǒng)在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上虛擬了進(jìn)程和進(jìn)程調(diào)度的概念，在任務(wù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了二次調(diào)度。進(jìn)程是一種擴(kuò)展的有限狀態(tài)機(jī)，基本上處于等待消息狀態(tài)。當(dāng)接收到一個(gè)消息時(shí)，進(jìn)程作出響應(yīng)，執(zhí)行特定的動作。進(jìn)程有3種調(diào)度狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)。進(jìn)程調(diào)度的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，處于阻塞狀態(tài)。當(dāng)收到消息時(shí)，進(jìn)程調(diào)度將其放到所屬任務(wù)的就緒隊(duì)列中，進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待CPU資源，一旦得到CPU，就進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)程無消息需要處理時(shí)，虛擬操作系統(tǒng)會掛起該進(jìn)程，放到所屬任務(wù)的阻塞隊(duì)列中，并設(shè)置為阻塞狀態(tài)。一個(gè)進(jìn)程始終在這3種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

圖1 虛擬操作系統(tǒng)相對于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的位置圖

圖2 進(jìn)程調(diào)度的狀態(tài)遷移圖

進(jìn)程調(diào)度是在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)程本身無顯式的優(yōu)先級表示，但當(dāng)與每個(gè)任務(wù)聯(lián)系起來時(shí)，就賦予了與任務(wù)等同的優(yōu)先級，因而從上層應(yīng)用來看，進(jìn)程安排在不同優(yōu)先級的任務(wù)中，就具有了不同的優(yōu)先級。進(jìn)程可以用一個(gè)進(jìn)程控制塊（Process Control Block，PCB）的結(jié)構(gòu)來標(biāo)識，PCB保存了進(jìn)程的所有運(yùn)行狀態(tài)信息，如當(dāng)前狀態(tài)、當(dāng)前事件等。

1 定位虛擬操作系統(tǒng)內(nèi)存泄漏的方法

傳統(tǒng)檢測內(nèi)存泄漏的方法是截獲對分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存函數(shù)的調(diào)用。截獲住這兩個(gè)函數(shù)，就能跟蹤每一塊內(nèi)存的生命周期。比如，每當(dāng)成功分配一塊內(nèi)存后，就把它的指針加入一個(gè)全局的鏈表中；每當(dāng)釋放一塊內(nèi)存后，再把它的指針從鏈表中刪除。這樣，當(dāng)程序結(jié)束的時(shí)候，鏈表中剩余的指針就指向那些沒有被釋放的內(nèi)存，這是定位內(nèi)存泄漏的一般方法。按照這種定位方法，可以在虛擬操作系統(tǒng)分配和釋放內(nèi)存的地方對每一塊分配的內(nèi)存進(jìn)行跟蹤，但是只跟蹤泄漏的內(nèi)存是不夠的，因?yàn)閮?nèi)存的內(nèi)容是應(yīng)用程序?qū)懭氲?，沒有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，即使跟蹤到了也很難進(jìn)行分析。

在虛擬操作系統(tǒng)中，要有效定位內(nèi)存泄漏并對內(nèi)存泄漏的源頭進(jìn)行分析，就需要對泄漏現(xiàn)場和泄漏內(nèi)存同步進(jìn)行記錄，也就是對泄漏點(diǎn)的進(jìn)程調(diào)度情況和泄漏內(nèi)存的內(nèi)容同時(shí)進(jìn)行記錄。這樣，當(dāng)發(fā)生內(nèi)存泄漏后，根據(jù)記錄的泄漏現(xiàn)場，可以定位發(fā)生泄漏的進(jìn)程和泄漏時(shí)的進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)。如果這不足以定位泄漏的原因，可以繼續(xù)分析泄漏內(nèi)存中的內(nèi)容來查明邏輯上的原因。因此，虛擬操作系統(tǒng)中定位內(nèi)存泄漏的關(guān)鍵在于對泄漏現(xiàn)場（也就是對泄漏點(diǎn)虛擬操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度現(xiàn)場）的記錄。

本文的核心思想是：先構(gòu)建一個(gè)鏈表，當(dāng)發(fā)生內(nèi)存泄漏后，將泄漏點(diǎn)的系統(tǒng)狀態(tài)信息和泄漏的內(nèi)存保存到鏈表中，并在系統(tǒng)崩潰前將鏈表存儲到存儲介質(zhì)（如硬盤）中，事后對記錄的文件進(jìn)行分析，通過對泄漏點(diǎn)的系統(tǒng)狀態(tài)以及泄漏內(nèi)存的內(nèi)容進(jìn)行還原，來準(zhǔn)確定位內(nèi)存泄漏點(diǎn)。

2 定位虛擬操作系統(tǒng)內(nèi)存泄漏的實(shí)現(xiàn)

通過下述步驟實(shí)現(xiàn)內(nèi)存泄漏定位程序后，在虛擬操作系統(tǒng)中對內(nèi)存進(jìn)行分配和歸還的地方插入該定位程序。

①定義發(fā)生內(nèi)存泄漏的標(biāo)準(zhǔn)，包括判斷內(nèi)存發(fā)生泄漏的閾值以及記錄文件到硬盤的閾值，比如可用內(nèi)存少于30%時(shí)認(rèn)為發(fā)生了內(nèi)存泄漏，當(dāng)可用內(nèi)存少于10%時(shí)開始保存鏈表到硬盤中。這樣，在系統(tǒng)正常情況下，本文描述的方法并不啟動，不會影響對實(shí)時(shí)性要求非常高的設(shè)備（諸如通信設(shè)備）的正常運(yùn)行。

②定義一個(gè)結(jié)構(gòu)UBLEAK＿REG，用來保存泄漏點(diǎn)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)至少包括以下信息，主要是在泄漏點(diǎn)被調(diào)度進(jìn)程的PCB的內(nèi)容：調(diào)用分配內(nèi)存函數(shù)（GET＿UB）的行號、調(diào)用釋放內(nèi)存函數(shù)（RET＿UB）的文件名、內(nèi)存塊（UB）的地址、當(dāng)前任務(wù)號、當(dāng)前進(jìn)程名、當(dāng)前進(jìn)程在進(jìn)程屬性表中的索引、當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程號、當(dāng)前進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)、當(dāng)前進(jìn)程上一個(gè)狀態(tài)、當(dāng)前進(jìn)程當(dāng)前事件、當(dāng)前進(jìn)程上一個(gè)事件、當(dāng)前事件發(fā)送進(jìn)程的進(jìn)程號、當(dāng)前進(jìn)程的堆棧內(nèi)容、當(dāng)前申請UB的時(shí)間。

③針對每種大小的內(nèi)存，分別定義一個(gè)鏈表UBLEAK＿STACK，用來存儲結(jié)構(gòu)UBLEAK＿REG的內(nèi)容。初始化時(shí)應(yīng)依據(jù)各內(nèi)存塊的總數(shù)和判斷泄漏的標(biāo)準(zhǔn)，來預(yù)分配鏈表的大小。對鏈表存儲空間的分配應(yīng)該有個(gè)算法，使得不同大小內(nèi)存占用的鏈表空間是可配置的，最簡單的情況就是平均分配給不同大小的內(nèi)存塊。

④每次應(yīng)用程序申請內(nèi)存時(shí)，依據(jù)步驟①定義的標(biāo)準(zhǔn)判斷是否發(fā)生了內(nèi)存泄漏，一旦認(rèn)定發(fā)生了泄漏，將當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)信息填寫到一個(gè)UBLEAK＿REG結(jié)構(gòu)中，并將這個(gè)結(jié)構(gòu)插入該內(nèi)存對應(yīng)的UBLEAK＿STACK鏈表。記錄內(nèi)存泄漏情況的鏈表結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

⑤應(yīng)用程序釋放內(nèi)存時(shí)，同樣要判斷是否發(fā)生了內(nèi)存泄漏，若未發(fā)生則不做任何處理，若已發(fā)生則需要從鏈表中找到該內(nèi)存的相關(guān)信息記錄并刪除。這樣可以在系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)存泄漏時(shí)，將應(yīng)用程序正常的內(nèi)存申請和釋放信息排除，不占用寶貴的UBLEAK＿STACK資源。

⑥如果內(nèi)存泄漏達(dá)到系統(tǒng)崩潰邊緣（閾值可定義），則需要保存鏈表到存儲介質(zhì)（如硬盤）中。在將鏈表保存到硬盤的過程中應(yīng)該注意的是，保存的不只是泄漏點(diǎn)的系統(tǒng)狀態(tài)，還有內(nèi)存塊的內(nèi)容。保存動作如下：

將泄漏點(diǎn)現(xiàn)場信息寫到硬盤中；

根據(jù)泄漏內(nèi)存的地址指針，保存對應(yīng)的內(nèi)容到硬盤中；

繼續(xù)記錄下一個(gè)泄漏點(diǎn)信息。

圖3 記錄內(nèi)存泄漏情況的鏈表結(jié)構(gòu)圖

⑦在內(nèi)存泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰后，可以從存儲介質(zhì)中將記錄內(nèi)存泄漏信息的文件拷貝出來進(jìn)行分析。這時(shí)，首先需要編寫解析該文件的工具，因?yàn)榇鎯Φ奈募嵌M(jìn)制格式，需要轉(zhuǎn)換成文本格式以便于閱讀，當(dāng)然每條記錄的結(jié)構(gòu)是已知的。接著對照文本文件的內(nèi)容和UBLEAK＿REG的結(jié)構(gòu)，可復(fù)原泄漏點(diǎn)的進(jìn)程狀態(tài)：對照UBLEAK＿REG結(jié)構(gòu)，根據(jù)文件名和行號可知進(jìn)程哪一行發(fā)生泄漏；根據(jù)進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前事件，可知進(jìn)程泄漏時(shí)的狀態(tài)和導(dǎo)致泄漏的事件；根據(jù)當(dāng)前事件發(fā)送進(jìn)程號，可知是哪個(gè)進(jìn)程在發(fā)消息并最終導(dǎo)致了泄漏；根據(jù)進(jìn)程堆棧內(nèi)容，對照收到消息的結(jié)構(gòu)，可對當(dāng)前消息的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析，一般到這里泄漏點(diǎn)已經(jīng)準(zhǔn)確定位了。如果準(zhǔn)確定位了內(nèi)存泄漏點(diǎn)后，還不能定位內(nèi)存泄漏的根本原因，則可對泄漏內(nèi)存的內(nèi)容進(jìn)一步分析。分析方法是：在內(nèi)存泄漏點(diǎn)的代碼中找到填入內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對照內(nèi)存的內(nèi)容，逐個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較以還原收到的消息內(nèi)容。根據(jù)收到的消息內(nèi)容和泄漏點(diǎn)處理代碼，可讀取該消息的處理過程，進(jìn)一步查找泄漏原因。

結(jié) 語

本文描述了一種定位虛擬操作系統(tǒng)內(nèi)存泄漏的方法，通過詳細(xì)記錄實(shí)時(shí)系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)存泄漏時(shí)內(nèi)存申請的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并在系統(tǒng)崩潰前將信息保存到諸如硬盤的媒體介質(zhì)中，可以有效定位內(nèi)存泄漏的原因。

[1]實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) [EB/OL].[2014-10].http：//baike.baidu.com/view/18308.htm？fr＝aladdin.

[2]有限狀態(tài)機(jī) [EB/OL].[2014-10].http：//baike.baidu.com/view/115336.htm.