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鸿蒙轻内核的得力助手：带你掌握4种内存调试方法

2021-09-02 16:00 https://my.oschina.net/u/4526289/blog/5219827 华为云开发者社区次阅读条评论

摘要：内存调测方法旨在辅助定位动态内存相关问题，提供了内存池信息统计、内存泄漏检测和踩内存检测三种调测手段。

本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核-内存调测-内存信息统计》，作者：zhushy 。

内存调测方法旨在辅助定位动态内存相关问题，提供了基础的动态内存池信息统计手段，向用户呈现内存池水线、碎片率等信息；提供了内存泄漏检测手段，方便用户准确定位存在内存泄漏的代码行，也可以辅助分析系统各个模块内存的使用情况；提供了踩内存检测手段，可以辅助定位越界踩内存的场景。

一、内存信息统计

内存信息包括内存池大小、内存使用量、剩余内存大小、最大空闲内存、内存水线、内存节点数统计、碎片率等。

内存水线：即内存池的最大使用量，每次申请和释放时，都会更新水线值，实际业务可根据该值，优化内存池大小；
碎片率：衡量内存池的碎片化程度，碎片率高表现为内存池剩余内存很多，但是最大空闲内存块很小，可以用公式（fragment=100-最大空闲内存块大小/剩余内存大小）来度量；
其他参数：通过内存管理模块的调用接口，扫描内存池的节点信息，统计出相关信息。

1、功能配置

LOSCFG_MEM_WATERLINE：开关宏，默认打开；若关闭这个功能，在target_config.h中将这个宏定义为0。如需获取内存水线，需要打开该配置。

2、开发指导

关键结构体介绍：

typedef struct {
    UINT32 totalUsedSize;       // 内存池的内存使用量
    UINT32 totalFreeSize;       // 内存池的剩余内存大小
    UINT32 maxFreeNodeSize;     // 内存池的最大空闲内存块大小
    UINT32 usedNodeNum;         // 内存池的非空闲内存块个数
    UINT32 freeNodeNum;         // 内存池的空闲内存块个数
#if (LOSCFG_MEM_WATERLINE == 1) // 默认打开，如需关闭，在target_config.h中将该宏设置为0
    UINT32 usageWaterLine;      // 内存池的水线值
#endif
} LOS_MEM_POOL_STATUS;

内存水线获取
调用LOS_MemInfoGet接口，第1个参数是内存池首地址，第2个参数是LOS_MEM_POOL_STATUS类型的句柄，其中字段usageWaterLine即水线值。
内存碎片率计算
同样调用LOS_MemInfoGet接口，可以获取内存池的剩余内存大小和最大空闲内存块大小，然后根据公式（fragment=100-最大空闲内存块大小/剩余内存大小）得出此时的动态内存池碎片率。

3、编程实例

本实例实现如下功能：

1.创建一个监控线程，用于获取内存池的信息；
2.调用LOS_MemInfoGet接口，获取内存池的基础信息；
3.利用公式算出使用率及碎片率。

代码实现如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "los_task.h"
#include "los_memory.h"
#include "los_config.h"

void MemInfoTaskFunc(void)
{
    LOS_MEM_POOL_STATUS poolStatus = {0};
    LOS_MemInfoGet(m_aucSysMem0, &poolStatus);
    /* 算出内存池当前的碎片率百分比 */
    unsigned char fragment = 100 - poolStatus.maxFreeNodeSize * 100 / poolStatus.totalFreeSize;
    /* 算出内存池当前的使用率百分比 */
    unsigned char usage = LOS_MemTotalUsedGet(m_aucSysMem0) * 100 / LOS_MemPoolSizeGet(m_aucSysMem0);
    printf("usage = %d, fragment = %d, maxFreeSize = %d, totalFreeSize = %d, waterLine = %d\n", usage, fragment, poolStatus.maxFreeNodeSize, 
           poolStatus.totalFreeSize, poolStatus.usageWaterLine);
}

int MemTest(void)
{
    unsigned int ret;
    unsigned int taskID;
    TSK_INIT_PARAM_S taskStatus = {0};
    taskStatus.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)MemInfoTaskFunc;
    taskStatus.uwStackSize  = 0x1000;
    taskStatus.pcName       = "memInfo";
    taskStatus.usTaskPrio   = 10;
    ret = LOS_TaskCreate(&taskID, &taskStatus);
    if (ret != LOS_OK) {
        printf("task create failed\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}

编译运行输出的结果如下：

usage = 22, fragment = 3, maxFreeSize = 49056, totalFreeSize = 50132, waterLine = 1414

二、内存泄漏检测机制

内存泄漏检测机制作为内核的可选功能，用于辅助定位动态内存泄漏问题。开启该功能，动态内存机制会自动记录申请内存时的函数调用关系（下文简称LR）。如果出现泄漏，就可以利用这些记录的信息，找到内存申请的地方，方便进一步确认。

1、功能配置

LOSCFG_MEM_LEAKCHECK：开关宏，默认关闭；若打开这个功能，在target_config.h中将这个宏定义为1。
LOSCFG_MEM_RECORD_LR_CNT：记录的LR层数，默认3层；每层LR消耗sizeof(void *)字节数的内存。
LOSCFG_MEM_OMIT_LR_CNT：忽略的LR层数，默认4层，即从调用LOS_MemAlloc的函数开始记录，可根据实际情况调整。为啥需要这个配置？有3点原因如下：
- LOS_MemAlloc接口内部也有函数调用；
- 外部可能对LOS_MemAlloc接口有封装；
- LOSCFG_MEM_RECORD_LR_CNT 配置的LR层数有限；
正确配置这个宏，将无效的LR层数忽略，就可以记录有效的LR层数，节省内存消耗。

2、开发指导

2.1开发流程

该调测功能可以分析关键的代码逻辑中是否存在内存泄漏。开启这个功能，每次申请内存时，会记录LR信息。在需要检测的代码段前后，调用LOS_MemUsedNodeShow接口，每次都会打印指定内存池已使用的全部节点信息，对比前后两次的节点信息，新增的节点信息就是疑似泄漏的内存节点。通过LR，可以找到具体申请的代码位置，进一步确认是否泄漏。

调用LOS_MemUsedNodeShow接口输出的节点信息格式如下：每1行为一个节点信息；第1列为节点地址，可以根据这个地址，使用GDB等手段查看节点完整信息；第2列为节点的大小，等于节点头大小+数据域大小；第3~5列为函数调用关系LR地址，可以根据这个值，结合汇编文件，查看该节点具体申请的位置。

node        size   LR[0]      LR[1]       LR[2]  
0x10017320: 0x528 0x9b004eba  0x9b004f60  0x9b005002 
0x10017848: 0xe0  0x9b02c24e  0x9b02c246  0x9b008ef0 
0x10017928: 0x50  0x9b008ed0  0x9b068902  0x9b0687c4 
0x10017978: 0x24  0x9b008ed0  0x9b068924  0x9b0687c4
0x1001799c: 0x30  0x9b02c24e  0x9b02c246  0x9b008ef0 
0x100179cc: 0x5c  0x9b02c24e  0x9b02c246  0x9b008ef0

注意: 开启内存检测会影响内存申请的性能，且每个内存节点都会记录LR地址，内存开销也加大。

2.2 编程实例

本实例实现如下功能：构建内存泄漏代码段。

调用LOS_MemUsedNodeShow接口，输出全部节点信息打印；
申请内存，但没有释放，模拟内存泄漏；
再次调用LOS_MemUsedNodeShow接口，输出全部节点信息打印；
将两次log进行对比，得出泄漏的节点信息；
通过LR地址，找出泄漏的代码位置；

2.3 示例代码

代码实现如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "los_memory.h"
#include "los_config.h"

void MemLeakTest(void)
{
    LOS_MemUsedNodeShow(LOSCFG_SYS_HEAP_ADDR);
    void *ptr1 = LOS_MemAlloc(LOSCFG_SYS_HEAP_ADDR, 8);
    void *ptr2 = LOS_MemAlloc(LOSCFG_SYS_HEAP_ADDR, 8);
    LOS_MemUsedNodeShow(LOSCFG_SYS_HEAP_ADDR);
}

2.4 结果验证

编译运行输出log如下：

node         size   LR[0]       LR[1]       LR[2]   
0x20001b04:  0x24   0x08001a10  0x080035ce  0x080028fc 
0x20002058:  0x40   0x08002fe8  0x08003626  0x080028fc 
0x200022ac:  0x40   0x08000e0c  0x08000e56  0x0800359e 
0x20002594:  0x120  0x08000e0c  0x08000e56  0x08000c8a 
0x20002aac:  0x56   0x08000e0c  0x08000e56  0x08004220 

node         size   LR[0]       LR[1]       LR[2]   
0x20001b04:  0x24   0x08001a10  0x080035ce  0x080028fc 
0x20002058:  0x40   0x08002fe8  0x08003626  0x080028fc 
0x200022ac:  0x40   0x08000e0c  0x08000e56  0x0800359e 
0x20002594:  0x120  0x08000e0c  0x08000e56  0x08000c8a 
0x20002aac:  0x56   0x08000e0c  0x08000e56  0x08004220 
0x20003ac4:  0x1d   0x08001458  0x080014e0  0x080041e6 
0x20003ae0:  0x1d   0x080041ee  0x08000cc2  0x00000000

对比两次log，差异如下，这些内存节点就是疑似泄漏的内存块：

0x20003ac4:  0x1d   0x08001458  0x080014e0  0x080041e6 
0x20003ae0:  0x1d   0x080041ee  0x08000cc2  0x00000000

部分汇编文件如下:

                MemLeakTest:
  0x80041d4: 0xb510         PUSH     {R4, LR}
  0x80041d6: 0x4ca8         LDR.N    R4, [PC, #0x2a0]       ; g_memStart
  0x80041d8: 0x0020         MOVS     R0, R4
  0x80041da: 0xf7fd 0xf93e  BL       LOS_MemUsedNodeShow    ; 0x800145a
  0x80041de: 0x2108         MOVS     R1, #8
  0x80041e0: 0x0020         MOVS     R0, R4
  0x80041e2: 0xf7fd 0xfbd9  BL       LOS_MemAlloc           ; 0x8001998
  0x80041e6: 0x2108         MOVS     R1, #8
  0x80041e8: 0x0020         MOVS     R0, R4
  0x80041ea: 0xf7fd 0xfbd5  BL       LOS_MemAlloc           ; 0x8001998
  0x80041ee: 0x0020         MOVS     R0, R4
  0x80041f0: 0xf7fd 0xf933  BL       LOS_MemUsedNodeShow    ; 0x800145a
  0x80041f4: 0xbd10         POP      {R4, PC}
  0x80041f6: 0x0000         MOVS     R0, R0

其中，通过查找0x080041ee，就可以发现该内存节点是在MemLeakTest接口里申请的且是没有释放的。

三、踩内存检测机制

踩内存检测机制作为内核的可选功能，用于检测动态内存池的完整性。通过该机制，可以及时发现内存池是否发生了踩内存问题，并给出错误信息，便于及时发现系统问题，提高问题解决效率，降低问题定位成本。

1、功能配置

LOSCFG_BASE_MEM_NODE_INTEGRITY_CHECK：开关宏，默认关闭；若打开这个功能，在target_config.h中将这个宏定义为1。

开启这个功能，每次申请内存，会实时检测内存池的完整性。
如果不开启该功能，也可以调用LOS_MemIntegrityCheck接口检测，但是每次申请内存时，不会实时检测内存完整性，而且由于节点头没有魔鬼数字（开启时才有，省内存），检测的准确性也会相应降低，但对于系统的性能没有影响，故根据实际情况开关该功能。

由于该功能只会检测出哪个内存节点被破坏了，并给出前节点信息（因为内存分布是连续的，当前节点最有可能被前节点破坏）。如果要进一步确认前节点在哪里申请的，需开启内存泄漏检测功能，通过LR记录，辅助定位。

注意：
开启该功能，节点头多了魔鬼数字字段，会增大节点头大小。由于实时检测完整性，故性能影响较大；若性能敏感的场景，可以不开启该功能，使用LOS_MemIntegrityCheck接口检测。

2、开发指导

2.1 开发流程

通过调用LOS_MemIntegrityCheck接口检测内存池是否发生了踩内存，如果没有踩内存问题，那么接口返回0且没有log输出；如果存在踩内存问题，那么会输出相关log，详见下文编程实例的结果输出。

2.2 编程实例

本实例实现如下功能：

申请两个物理上连续的内存块；
通过memset构造越界访问，踩到下个节点的头4个字节；
调用LOS_MemIntegrityCheck检测是否发生踩内存。

2.3 示例代码

代码实现如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "los_memory.h"
#include "los_config.h"

void MemIntegrityTest(void)
{
    /* 申请两个物理连续的内存块 */
    void *ptr1 = LOS_MemAlloc(LOSCFG_SYS_HEAP_ADDR, 8);
    void *ptr2 = LOS_MemAlloc(LOSCFG_SYS_HEAP_ADDR, 8);
    /* 第一个节点内存块大小是8字节，那么12字节的清零，会踩到第二个内存节点的节点头，构造踩内存场景 */
    memset(ptr1, 0, 8 + 4);
    LOS_MemIntegrityCheck(LOSCFG_SYS_HEAP_ADDR);
}

2.4 结果验证

编译运行输出log如下：

[ERR][OsMemMagicCheckPrint], 2028, memory check error!
memory used but magic num wrong, magic num = 0x00000000   /* 提示信息，检测到哪个字段被破坏了，用例构造了将下个节点的头4个字节清零，即魔鬼数字字段 */

 broken node head: 0x20003af0  0x00000000  0x80000020, prev node head: 0x20002ad4  0xabcddcba  0x80000020   
/* 被破坏节点和其前节点关键字段信息，分别为其前节点地址、节点的魔鬼数字、节点的sizeAndFlag；可以看出被破坏节点的魔鬼数字字段被清零，符合用例场景 */

 broken node head LR info:  /* 节点的LR信息需要开启内存检测功能才有有效输出 */
 LR[0]:0x0800414e
 LR[1]:0x08000cc2
 LR[2]:0x00000000

 pre node head LR info:   /* 通过LR信息，可以在汇编文件中查找前节点是哪里申请，然后排查其使用的准确性 */
 LR[0]:0x08004144
 LR[1]:0x08000cc2
 LR[2]:0x00000000
[ERR]Memory interity check error, cur node: 0x20003b10, pre node: 0x20003af0   /* 被破坏节点和其前节点的地址 */

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