5.2. 内存调试

未匹配的标注

内存调试

本章是有关PHP源代码的内存调试的简要介绍。 这不是一门完整的课程:内存调试并不难, 但是你需要一些它的使用经验,大量的练习可能是你在设计任何C编写的代码时都必须要做的事情。我们将在这里介绍一个非常著名的内存调试器: valgrind; 以及如何将其与PHP一起使用来调试内存问题。

Valgrind简介

Valgrind是许多Unix环境下使用的知名工具,可以在任何C/C++编写的软件中调试许多常见的内存问题。 Valgrind 是有关内存调试的多功能前端工具。最常用的底层工具称为 “memcheck”。它的工作方式是用自己的堆分配替换每个libc的堆分配,并跟踪你对它们所做的事情。你可能还会对 “massif” 感兴趣: 它是一个内存跟踪器,对于了解程序的常规堆内存使用情况非常有用。

注意

你应该阅读Valgrind文档,以进一步了解。 它写得很好,带有一些典型的例子。

为了进行内存分配替换,你需要通过 valgrind 运行要分析的程序(此处为PHP),也就是启动 valgrind 二进制文件。

当 valgrind 替换并跟踪所有 libc 的堆分配时,它往往会大大降低调试程序的速度。对于PHP,你会注意到它。尽管 PHP 的速度下降并不那么剧烈,但是仍然可以清楚地感觉到;如果你注意到它,不用担心,这是正常的。

Valgrind 不是你可能会使用的唯一工具,但是是最常用的工具。还有其他工具,例如 Dr.MemoryLeakSanitizerElectric FenceAddressSanitizer

在开始之前

以下是在存储器调试方面具有良好经验并减轻发现缺陷并减少调试时间的机会所需的步骤:

-您应始终使用PHP的调试版本。尝试调试生产版本中的内存是无关紧要的。
-您应该始终在 USE_ZEND_ALLOC = 0 环境下启动调试器。您可能已经在Zend Memory Manager章节中了解到,此环境var会在当前进程启动时禁用ZendMM。强烈建议在启动内存调试器时这样做。完全绕过ZendMM有助于了解valgrind生成的跟踪。
-强烈建议在环境 ZEND_DONT_UNLOAD_MODULES = 1 下启动内存调试器。这样可以防止PHP在过程结束时卸载扩展程序的.so文件。这是为了获得更好的valgrind报告跟踪;如果在valgrind将要显示其错误时PHP将卸载扩展名,则稍后将不完整,因为从中获取信息的文件不再是进程内存映像的一部分。
-您可能需要一些抑制措施。当您告诉PHP在过程结束时不要卸载其扩展名时,可能会在valgrind输出中给您误报。将检查PHP扩展是否泄漏,如果您在平台上误报,则可以使用抑制功能将其关闭像这样。可以根据这样的示例随意编写自己的文件。
-与Zend Memory Manager相比,Valgrind显然是更好的工具,可以查找泄漏和其他与内存相关的问题。您应该始终在代码上运行valgrind,这实际上是每个C程序员都必须执行的步骤。无论是因为崩溃而想要找到并调试它,还是作为看起来好像没有任何坏处的高质量工具来运行它,valgrind都是这种工具,它可以指出隐藏的瑕疵,准备好将其吹拂一次或以后。即使您认为代码似乎一切都很好,也可以使用它:您可能会感到惊讶。

Warning

您**必须在程序上使用valgrind(或任何内存调试器)。对于每个强大的C程序,要不调试内存就不可能100%充满信心。内存错误会导致有害的安全问题,并且程序崩溃通常取决于许多参数,通常是随机的。

内存泄漏检测示例

入门

Valgrind是一个完整的堆内存调试器。它还可以调试过程内存映射和功能堆栈。请在其文档中获取更多信息。

让我们去检测动态内存泄漏,并尝试一个简单的,最常见的泄漏:

PHP_RINIT_FUNCTION(pib)
{
    void *foo = emalloc(128);
}

上面的代码每次请求都会泄漏128字节,因为它没有与此类缓冲区有关的efree()相关调用。由于它是对emalloc()的调用,因此会通过Zend Memory Manager,因此稍后会警告我们就像我们在ZendMM章节中看到的那样。我们还要看看valgrind是否可以注意到泄漏:

> ZEND_DONT_UNLOAD_MODULES=1 USE_ZEND_ALLOC=0 valgrind --leak-check=full --suppressions=/path/to/suppression
--show-reachable=yes --track-origins=yes ~/myphp/bin/php -dextension=pib.so /tmp/foo.php

我们使用valgrind启动PHP-CLI进程。我们在这里假设一个名为“ pib”的扩展名。这是输出:

==28104== 128 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==28104==    at 0x4C2DB8F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==28104==    by 0xA3701E: __zend_malloc (zend_alloc.c:2820)
==28104==    by 0xA362E7: _emalloc (zend_alloc.c:2413)
==28104==    by 0xE896F99: zm_activate_pib (pib.c:1880)
==28104==    by 0xA79F1B: zend_activate_modules (zend_API.c:2537)
==28104==    by 0x9D31D3: php_request_startup (main.c:1673)
==28104==    by 0xB5909A: do_cli (php_cli.c:964)
==28104==    by 0xB5A423: main (php_cli.c:1381)

==28104== LEAK SUMMARY:
==28104==    definitely lost: 128 bytes in 1 blocks
==28104==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==28104==    possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==28104==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==28104==    suppressed: 7,883 bytes in 40 blocks

在我们看来,“绝对失落”是我们必须关注的。

Note

有关memcheck输出的不同字段的详细信息,请查看

Note

我们使用USE_ZEND_ALLOC = 0禁用并完全绕过Zend Memory Manager。对其API的每次调用(例如emalloc())将直接导致libc调用,就像我们在calgrind输出堆栈帧上可以看到的那样。

Valgrind抓住了我们的漏洞。

很容易,现在我们可以使用持久分配(也就是绕过ZendMM并使用传统libc的动态内存分配)来产生泄漏。走:

PHP_RINIT_FUNCTION(pib)
{
    void *foo = malloc(128);
}

这是报告:

==28758==    128 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==28758==    at 0x4C2DB8F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==28758==    by 0xE896F82: zm_activate_pib (pib.c:1880)
==28758==    by 0xA79F1B: zend_activate_modules (zend_API.c:2537)
==28758==    by 0x9D31D3: php_request_startup (main.c:1673)
==28758==    by 0xB5909A: do_cli (php_cli.c:964)
==28758==    by 0xB5A423: main (php_cli.c:1381)

也抓到了。

Note

Valgrind确实可以捕获所有内容。巨大的进程内存映射中某个地方的每一个被遗忘的小字节都会被valgrind的眼睛报告。您无法通过。

更复杂的用例

这是一个更复杂的设置。您可以在下面的代码中发现泄漏吗?

static zend_array ar;

PHP_MINIT_FUNCTION(pib)
{
    zend_string *str;
    zval string;

    str = zend_string_init("yo", strlen("yo"), 1);
    ZVAL_STR(&string, str);

    zend_hash_init(&ar, 8, NULL, ZVAL_PTR_DTOR, 1);
    zend_hash_next_index_insert(&ar, &string);
}

这里有两个泄漏。首先,我们分配一个zend_string,但我们没有释放它。其次,我们分配一个新的zend_hash,但是我们也不释放它。让我们用valgrind启动它,然后查看结果:

==31316== 296 (264 direct, 32 indirect) bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 2
==32006==    by 0xA3701E: __zend_malloc (zend_alloc.c:2820)
==32006==    by 0xA814B2: zend_hash_real_init_ex (zend_hash.c:133)
==32006==    by 0xA816D2: zend_hash_check_init (zend_hash.c:161)
==32006==    by 0xA83552: _zend_hash_index_add_or_update_i (zend_hash.c:714)
==32006==    by 0xA83D58: _zend_hash_next_index_insert (zend_hash.c:841)
==32006==    by 0xE896AF4: zm_startup_pib (pib.c:1781)
==32006==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==32006==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==32006==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==32006==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)

==31316== 32 bytes in 1 blocks are indirectly lost in loss record 2 of 2
==31316==    by 0xA3701E: __zend_malloc (zend_alloc.c:2820)
==31316==    by 0xE880B0D: zend_string_alloc (zend_string.h:122)
==31316==    by 0xE880B76: zend_string_init (zend_string.h:158)
==31316==    by 0xE896F9D: zm_activate_pib (pib.c:1781)
==31316==    by 0xA79F1B: zend_activate_modules (zend_API.c:2537)
==31316==    by 0x9D31D3: php_request_startup (main.c:1673)
==31316==    by 0xB5909A: do_cli (php_cli.c:964)
==31316==    by 0xB5A423: main (php_cli.c:1381)

==31316== LEAK SUMMARY:
==31316== definitely lost: 328 bytes in 2 blocks

如预期的那样,两个泄漏都被报告。如您所见,valgrind是准确的,它将您的眼睛放在需要的地方。

现在修复它们:

PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION(pib)
{
    zend_hash_destroy(&ar);
}

我们在PHP程序结束时在MSHUTDOWN中销毁了持久数组。创建它时,我们将其作为析构函数传递给ZVAL_PTR_DTOR,它将在插入的所有项目上运行该回调。这是zval的析构函数,它将破坏zval分析它们的内容。对于IS_STRING类型,析构函数将释放zend_string并在必要时释放它。做完了

Note

如您所见,PHP-像任何C语言强程序一样-充满了嵌套的指针。zend_string封装在zval中,其本身是zend_array的一部分。泄漏数组显然会泄漏zvalzend_string,但是zvals没有分配堆(我们在堆栈上分配),因此没有泄漏报告。您应该习惯这样一个事实,即忘记释放/释放诸如zend_array之类的复合结构会导致大量泄漏,因为结构经常会嵌入结构,嵌入结构等。

缓冲区上溢/下溢检测

内存泄漏很糟糕。这将导致您的程序一次或以后触发OOM,并且将大大降低主机的速度,因为随着时间的流逝,后者将获得越来越少的可用内存。这是内存泄漏的征兆。

但是更糟的是:缓冲区越界访问。访问超出分配限制的指针是许多邪恶操作(例如在计算机上获得root shell)的根源,因此您绝对应该防止它们。较轻的越界访问也经常会由于内存损坏而导致程序崩溃。但是,这全部取决于硬件目标计算机,使用的编译器和选项,操作系统内存布局,使用的libc等……许多因素。

因此,越界访问非常令人讨厌,它们是炸弹,可能会爆炸,也可能不会爆炸,或者在一分钟内,或者如果您非常幸运,它们将永远不会爆炸。

  • Valgrind *是一个内存调试器,因此能够检测到来自任何内存区域(堆和堆栈)的任何越界访问。这与查找泄漏使用的是相同的memcheck工具。

让我们看一个简单的例子:

PHP_MINIT_FUNCTION(pib)
{
    char *foo = malloc(16);
    foo[16] = 'a';
    foo[-1] = 'a';
}

这段代码分配了一个缓冲区,并故意在边界后一个字节和边界后一个字节写入数据。现在,如果您运行这样的代码,您就有大约两次机会中有一次立即崩溃,然后随机崩溃。您可能还已经在PHP中创建了一个安全漏洞,但是它可能无法被远程利用(这种行为很少见)。

Warning

越界访问导致不确定的行为。无法预料会发生什么,但是请确保它不好(立即崩溃)或可怕(安全问题)。记得。

让我们问一下valgrind,使用与之前完全相同的命令行来启动它,除了输出内容外,其他都没有改变:

==12802== Invalid write of size 1
==12802==    at 0xE896A98: zm_startup_pib (pib.c:1772)
==12802==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==12802==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==12802==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==12802==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==12802==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==12802==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==12802==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)
==12802==  Address 0xeb488f0 is 0 bytes after a block of size 16 alloc'd
==12802==    at 0x4C2DB8F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==12802==    by 0xE896A85: zm_startup_pib (pib.c:1771)
==12802==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==12802==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==12802==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==12802==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==12802==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==12802==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==12802==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)
==12802==
==12802== Invalid write of size 1
==12802==    at 0xE896AA6: zm_startup_pib (pib.c:1773)
==12802==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==12802==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==12802==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==12802==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==12802==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==12802==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==12802==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)
==12802==  Address 0xeb488df is 1 bytes before a block of size 16 alloc'd
==12802==    at 0x4C2DB8F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==12802==    by 0xE896A85: zm_startup_pib (pib.c:1771)
==12802==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==12802==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==12802==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==12802==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==12802==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==12802==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==12802==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)

这两个无效的写入都已被检测到,现在您的目标是跟踪并修复它们。

在这里,我们使用了一个示例,其中我们超出范围地写入内存,这是最糟糕的情况,因为您的写入操作成功后(可能会立即导致SIGSEGV)将覆盖该指针旁边的一些关键区域。当我们使用libc的malloc()进行分配时,我们将覆盖libc用于管理和跟踪其分配的关键头尾块。取决于许多因素(平台,使用的libc,如何编译等等),这将导致崩溃。

Valgrind也可能报告无效读取。这意味着您将在分配的指针的范围之外执行内存读取操作。更好的情况是块被覆盖,但您仍然不应该访问内存区域,在这种情况下又可能会导致立即崩溃,或者稍后崩溃,或者永远不会访问?不要那样做

Note

一旦您在valgrind的输出中读取“ Invalid”,那对您来说真的很不好。无论是无效的读取还是写入,您的代码中都存在问题,因此您应该将这个问题视为高风险:现在就真正修复它。

这是有关字符串连接的第二个示例:

char *foo = strdup("foo");
char *bar = strdup("bar");

char *foobar = malloc(strlen("foo") + strlen("bar"));

memcpy(foobar, foo, strlen(foo));
memcpy(foobar + strlen("foo"), bar, strlen(bar));

fprintf(stderr, "%s", foobar);

free(foo);
free(bar);
free(foobar);

你能发现问题吗?

让我们问一下valgrind:

==13935== Invalid read of size 1
==13935==    at 0x4C30F74: strlen (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==13935==    by 0x768203E: fputs (iofputs.c:33)
==13935==    by 0xE896B91: zm_startup_pib (pib.c:1779)
==13935==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==13935==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==13935==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==13935==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==13935==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==13935==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==13935==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)
==13935==  Address 0xeb48986 is 0 bytes after a block of size 6 alloc'd
==13935==    at 0x4C2DB8F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==13935==    by 0xE896B14: zm_startup_pib (pib.c:1774)
==13935==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==13935==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==13935==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==13935==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==13935==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==13935==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==13935==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)

第1779行指向fprintf()调用。该调用确实要求fputs(),其本身称为strlen()(均来自libc),在这里strlen()读取1个字节无效。

我们只是忘记了\ 0来终止我们的字符串。我们传递fprintf()无效的字符串。它首先尝试计算调用strlen()的字符串的长度。然后strlen()将扫描缓冲区,直到找到\ 0,并且它将扫描缓冲区的边界,因为我们忘记了对其进行零终止。我们在这里很幸运,strlen()仅从末尾传递一个字节。那可能更多,并且可能崩溃了,因为我们真的不知道下一个\ 0在内存中的位置,这是随机的。

解:

size_t len   = strlen("foo") + strlen("bar") + 1;   /* note the +1 for \0 */
char *foobar = malloc(len);

/* ... ... same code ... ... */

foobar[len - 1] = '\0'; /* terminate the string properly */

Note

上述错误是C语言中最常见的错误之一。它们被称为一次性错误:您忘记仅分配一个字节,但是由于以下原因,您将在代码中产生大量问题那。

最后,这里是最后一个示例,展示了一个有余使用的场景。这也是C编程中的一个非常常见的错误,与错误的内存访问一样严重:它创建了安全缺陷,可能导致非常讨厌的行为。显然,valgrind可以检测到无用后使用。这是一个:

char *foo = strdup("foo");
free(foo);

memcpy(foo, "foo", sizeof("foo"));

同样,这里是一个与PHP无关的PHP场景。我们释放一个指针,然后再使用它。这是一个大错误。让我们问一下valgrind:

==14594== Invalid write of size 1
==14594==    at 0x4C3245C: memcpy@GLIBC_2.2.5 (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==14594==    by 0xE896AA1: zm_startup_pib (pib.c:1774)
==14594==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==14594==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==14594==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==14594==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==14594==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==14594==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==14594==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)
==14594==  Address 0xeb488e0 is 0 bytes inside a block of size 4 free'd
==14594==    at 0x4C2EDEB: free (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==14594==    by 0xE896A86: zm_startup_pib (pib.c:1772)
==14594==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==14594==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==14594==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==14594==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==14594==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==14594==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==14594==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)
==14594==  Block was alloc'd at
==14594==    at 0x4C2DB8F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==14594==    by 0x769E8D9: strdup (strdup.c:42)
==14594==    by 0xE896A70: zm_startup_pib (pib.c:1771)
==14594==    by 0xA774F7: zend_startup_module_ex (zend_API.c:1843)
==14594==    by 0xA77559: zend_startup_module_zval (zend_API.c:1858)
==14594==    by 0xA85AF5: zend_hash_apply (zend_hash.c:1508)
==14594==    by 0xA77B25: zend_startup_modules (zend_API.c:1969)
==14594==    by 0x9D4541: php_module_startup (main.c:2260)
==14594==    by 0xB5802F: php_cli_startup (php_cli.c:427)
==14594==    by 0xB5A367: main (php_cli.c:1348)

这里的一切再次变得清晰。

结论

在投入生产之前,请使用内存调试器。正如您在本章中学到的那样,您在计算中忘记的小字节可能导致可利用的安全漏洞。它还经常(非常频繁地)导致简单的崩溃。这意味着您的扩展很酷,可以减少整个服务器(服务器)及其每个客户端的数量。

C是一种非常严格的编程语言。您将获得数十亿字节的内存来进行编程,并且必须安排这些内存来执行一些计算。但是请不要搞砸这种强大的功能:在最好的情况下(罕见),什么都不会发生,在更坏的情况下(非常常见),您会在这里和那里随机崩溃,在最坏的情况下,您会创建一个漏洞在恰好可以被远程利用的程序中...

您的工具娴熟,聪明,请确实照顾机器内存。

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Summer
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