Android Native内存问题检测

2019-07-26 本文已影响0人蛋西

android中的内存总体上可以分为两块，java heap与native heap。java heap的内存问题检测，由于java采用自动垃圾回收机制，所以大部分情况下，只需要关注内存泄漏问题、内存用量问题，确保activity等组件不发生内存泄漏，使用Profilter可以关注内存使用程度以及某个时刻对象的占用内存大小。而native heap的内存问题，则更为复杂而且多样，由于使用c/c++编写，所以可能存在的数组越界、内存泄漏等等问题。本文重点讲一下native的内存问题检测

工具

linux上的程序开发，经常使用valgrind工具套件来检测内存问题，Valgrind 工具套件包括 Memcheck（用于检测 C 和 C ++ 中与内存相关的错误）、Cachegrind（缓存分析器）、Massif（堆分析器）和其他几种工具。具体的如何集成，可以参考最后连接中的使用valgrind文章。
目前Valgrind已被google弃用，并已从AOSP master中移除。官方强烈建议我们改用 AddressSanitizer工具。
当然还有很多其他工具可以检测内存问题，这里我们就拿官方推荐的AddressSanitizer来看看能用它来做些什么。

AddressSanitizer

AddressSanitizer (ASan) 是一种基于编译器的快速检测工具，用于检测原生代码中的内存错误。AddressSanitizer 可以检测以下问题：

堆栈和堆缓冲区上溢/下溢
释放之后的堆使用情况
超出范围的堆栈使用情况
重复释放/错误释放

很多朋友可能会想，那能不能检测内存泄漏呢？很抱歉，AddressSanitizer目前其实并不能检测内存泄漏的情况，这点已经在github官方上也有人提了issue，作者表示他们也很想支持，无奈人力有限，我们只好静待吧～
那么它与传统的内存问题检测工具，例如 Valgrind ，有何区别？
用过Valgrind的朋友应该都清楚，其会极大的降低程序运行速度，大约降低10倍，而 AddressSanitizer大约只降低2倍，这是什么概念，5倍的差距，所以从性能上如何抉择，一目了然了吧！
Android NDK从API 27开始支持(Android O MR 1)。下面讲一下将AddressSanitizer集成到应用中。

如何使用

ASAN（Address-Sanitizier）早先是LLVM中的特性，后被加入GCC4.8，在GCC4.9后加入对ARM平台的支持。因此其他平台，例如linux，GCC4.8以上版本使用ASAN时不需要安装第三方库，通过在编译时指定编译CFLAGS即可打开开关。如果是android平台，编译arm平台的库时，建议使用clang。
目前native编译主要通过两种方式：NDK-BUILD与CMAKE，分别对这两个种编译方式来讲一下如何集成。

NDK-BUILD方式集成

环境

android-ndk-r10d
目标armeabi平台

构建
在Application.mk中添加

APP_STL := c++_shared # Or system, or none.
APP_CFLAGS := -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer
APP_LDFLAGS := -fsanitize=address

一个共享库STL是必须的，因为默认的c++库libstdc++通常没有帧指针。如果你连接静态的c++stdlib到你的应用中，是不能用的。
并且指定编译器未clang：

NDK_TOOLCHAIN := arm-linux-androideabi-clang3.5
NDK_TOOLCHAIN_VERSION := clang

这里为什么指定用clang，因为我刚开始用的是gcc，编译的时候，总会出现error: cannot find -lasan错误，原因是因为gcc没有完全支持asan，所以必须要用clang编译器，才能完全支持。当然clang的版本，需要你自己指定
在Android.mk中添加

# 指定采用arm指令集，而不是默认的thumb指令集
LOCAL_ARM_MODE := arm

如果你的LOCAL_LDLIBS使用了-lstdc++，那么请将它移出，因为上面已经指定了APP_STL。

运行
在Android O MR1(API 27)或更高api等级的设备上运行程序，我们需要提供一个wrap.sh脚本，主要用于包装和替换应用进程，它允许一个可调式的应用定制他的应用启动过程，这个过程中，可以在生产环境的终端设备上使用ASan。

在manifest中添加android:debuggable="true"属性，不过在新版的android studio中，可以不用添加，默认gradle中buildTyle是debug，该值默认是true。
添加ASan运行时库到你的app或者module中的jniLibs目录下，或者在编译目标库时，将ASan运行时库作为一个动态库链接到你的目标库中。
编写wrap.sh脚本，并且将文件放入到相同的目录下

#!/system/bin/sh
HERE="$(cd "$(dirname "$0")" && pwd)"
export ASAN_OPTIONS=log_to_syslog=false,allow_user_segv_handler=1
ASAN_LIB=$(ls $HERE/libclang_rt.asan-*-android.so)
if [ -f "$HERE/libc++_shared.so" ]; then
    # Workaround for https://github.com/android-ndk/ndk/issues/988.
    export LD_PRELOAD="$ASAN_LIB $HERE/libc++_shared.so"
else
    export LD_PRELOAD="$ASAN_LIB"
fi
"$@"

ASan目标库我们该从哪里获取呢？有多个该如何选择呢？

libclang_rt.asan-xxx

我们看到在ndk目录的交叉编译工具链中，有针对许多平台的libclang_rt.asan开头的库，目前我们目标库是armeabi平台，所以这里我们选libclang_rt.asan-arm-android.so，将该库拷贝到jniLibs或者作为动态库加入到目标库的编译中去。例如，链接到目标动态库中：

include $(CLEAR_VARS)
PATH_TO_ASAN_LIB := XXXXX/libclang_rt.asan-arm-android.so
LOCAL_MODULE := libasan
LOCAL_SRC_FILES := $(PATH_TO_ASAN_LIB)  
include $(PREBUILT_SHARED_LIBRARY)

这样我们就能运行了，最后在apk包中，lib/armeabi会有warp.sh、libclang_rt.asan-arm-android.so、以及我们的目标动态库。

运行结果
在程序运行中，如果发生数组越界，在日志中，会出现AddressSanitizer开头的错误提示，奔溃堆栈如下：

奔溃异常
红色区域是奔溃堆栈，我们通过android平台的addr2line工具，将堆栈地址还原为源文件地址，很清楚的提示哪行代码数组越界了

CMAKE方式集成

cmake的集成方式相对简单，在gradle中配置

android {
    defaultConfig {
        externalNativeBuild {
            cmake {
                # Can also use system or none as ANDROID_STL.
                arguments "-DANDROID_ARM_MODE=arm", "-DANDROID_STL=c++_shared"
                cppFlags "-fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer"
            }
        }
    }
}

即可，其他运行方式与ndk-build一致，运行结果也一致。

总结

使用AddressSanitizer可以很方便的检测出内存问题，可以作为我们排查native heap问题的一个利器，运用好它，可以事半功倍。不过建议在debug模式下使用，在发布的正式版本中不可带上，因为会影响程序的运行效率。

参考

使用valgrind
Address Sanitizer
AddressSanitizerOnAndroid

Android Native内存问题检测

工具

AddressSanitizer

如何使用

NDK-BUILD方式集成

CMAKE方式集成

总结

参考

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