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Note

如果您发现本文档与原始文件有任何不同或者有翻译问题，请联系该文件的译者， 或者请求时奎亮的帮助：<alexs@kernel.org>。

Original

Kernel Memory Leak Detector

Translator

刘浩阳 Haoyang Liu <tttturtleruss@hust.edu.cn>

内核内存泄露检测器

Kmemleak 提供了一个类似 可追踪的垃圾收集器 的方法来检测可能的内核内存泄漏，不同的是孤立对象不会 被释放，而是仅通过 /sys/kernel/debug/kmemleak 报告。Valgrind 工具 （memcheck --leak-check）使用了一种相似的方法来检测用户空间应用中的内存泄 露。

用法

“Kernel hacking” 中的 CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK 必须被启用。一个内核线程每10分钟 （默认情况下）扫描一次内存，并且打印出新发现的未被引用的对象个数。 如果 debugfs 没有挂载，则执行:

# mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug/

显示所有扫描出的可能的内存泄漏的细节信息:

# cat /sys/kernel/debug/kmemleak

启动一次中等程度的内存扫描:

# echo scan > /sys/kernel/debug/kmemleak

清空当前所有可能的内存泄露列表:

# echo clear > /sys/kernel/debug/kmemleak

当再次读取 /sys/kernel/debug/kmemleak 文件时，将会输出自上次扫描以来检测到的 新的内存泄露。

注意，孤立目标是通过被分配时间来排序的，列表开始的对象可能会导致后续的对象都被 识别为孤立对象。

可以通过写入 /sys/kernel/debug/kmemleak 文件在运行时修改内存扫描参数。下面是 支持的参数：

• off

  禁用 kmemleak（不可逆）

• stack=on

  开启任务栈扫描（默认）

• stack=off

  禁用任务栈扫描

• scan=on

  开启自动内存扫描线程（默认）

• scan=off

  关闭自动内存扫描线程

• scan=<secs>;

  设定自动内存扫描间隔，以秒为单位（默认值为 600，设置为 0 表示停 止自动扫描）

• scan

  触发一次内存扫描

• clear

  通过标记所有当前已报告的未被引用对象为灰，从而清空当前可能的内存泄露列 表；如果 kmemleak 被禁用，则释放所有 kmemleak 对象，。

• dump=<addr>

  输出存储在 <addr> 中的对象信息

可以通过在内核命令行中传递 kmemleak=off 参数从而在启动时禁用 Kmemleak。

在 kmemleak 初始化之前就可能会有内存分配或释放，这些操作被存储在一个早期日志缓 冲区中。缓冲区的大小通过 CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK_MEM_POOL_SIZE 选项配置。

如果 CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK_DEFAULT_OFF 被启用，则 kmemleak 默认被禁用。在内核命 令行中传递 kmemleak=on 参数来开启这个功能。

如果出现 “Error while writing to stdout” 或 “write_loop: Invalid argument” 这样 的错误，请确认 kmemleak 被正确启用。

基础算法

通过 kmalloc(), vmalloc(), kmem_cache_alloc() 以及同类 函数均被跟踪，指针，包括一些额外的信息如大小和栈追踪等，都被存储在红黑树中。 对应的释放函数调用也被追踪，并从 kmemleak 数据结构中移除相应指针。

对于一个已分配的内存块，如果通过扫描内存（包括保存寄存器）没有发现任何指针指向 它的起始地址或者其中的任何位置，则认为这块内存是孤立的。这意味着内核无法将该内 存块的地址传递给一个释放内存函数，这块内存便被认为泄露了。

扫描算法步骤：

1. 标记所有对象为白色（最后剩下的白色对象被认为是孤立的）

2. 从数据节和栈开始扫描内存，检测每个值是否是红黑树中存储的地址。如果一个指向 白色对象的指针被检测到，则将该对象标记为灰色。

3. 扫描灰色对象引用的其他对象（有些白色对象可能会变为灰色并被添加到灰名单末尾 ）直到灰名单为空。

4. 剩余的白色对象就被认为是孤立的并通过 /sys/kernel/debug/kmemleak 报告。

有些指向已分配的内存块的指针存储在内核内部的数据结构中，它们不能被检测为孤立。 为了避免这种情况，kmemleak 也存储了指向需要被查找的内存块范围内的任意地址的地址 数量，如此一来这些内存便不会被认为泄露。一个例子是 __vmalloc()。

用 kmemleak 测试特定部分

在初始化启动阶段 /sys/kernel/debug/kmemleak 的输出可能会很多，这也可能是你在开发 时编写的漏洞百出的代码导致的。为了解决这种情况你可以使用 ‘clear’ 命令来清除 /sys/kernel/debug/kmemleak 输出的所有的未引用对象。在执行 ‘clear’ 后执行 ‘scan’ 可以发现新的未引用对象，这将会有利你测试代码的特定部分。

为了用一个空的 kmemleak 测试一个特定部分，执行:

# echo clear > /sys/kernel/debug/kmemleak
... 测试你的内核或者模块 ...
# echo scan > /sys/kernel/debug/kmemleak

然后像平常一样获得报告:

# cat /sys/kernel/debug/kmemleak

释放 kmemleak 内核对象

为了允许访问先前发现的内存泄露，当用户禁用或发生致命错误导致 kmemleak 被禁用时，内核中的 kmemleak 对象不会被释放。这些对象可能会占用很大 一部分物理内存。

在这种情况下，你可以用如下命令回收这些内存:

# echo clear > /sys/kernel/debug/kmemleak

Kmemleak API

在 include/linux/kmemleak.h 头文件中查看函数原型：

• kmemleak_init - 初始化 kmemleak

• kmemleak_alloc - 通知一个内存块的分配

• kmemleak_alloc_percpu - 通知一个 percpu 类型的内存分配

• kmemleak_vmalloc - 通知一个使用 vmalloc() 的内存分配

• kmemleak_free - 通知一个内存块的释放

• kmemleak_free_part - 通知一个部分的内存释放

• kmemleak_free_percpu - 通知一个 percpu 类型的内存释放

• kmemleak_update_trace - 更新分配对象过程的栈追踪

• kmemleak_not_leak - 标记一个对象内存为未泄露的

• kmemleak_ignore - 不要扫描或报告某个对象未泄露的

• kmemleak_scan_area - 在内存块中添加扫描区域

• kmemleak_no_scan - 不扫描某个内存块

• kmemleak_erase - 在指针变量中移除某个旧的值

• kmemleak_alloc_recursive - 和 kmemleak_alloc 效果相同但会检查是否有递归的

  内存分配

• kmemleak_free_recursive - 和 kmemleak_free 效果相同但会检查是否有递归的

  内存释放

下列函数使用一个物理地址作为对象指针并且只在地址有一个 lowmem 映射时做出相应的 行为：

• kmemleak_alloc_phys

• kmemleak_free_part_phys

• kmemleak_ignore_phys

解决假阳性/假阴性

假阴性是指由于在内存扫描中有值指向该对象导致 kmemleak 没有报告的实际存在的内存 泄露（孤立对象）。为了减少假阴性的出现次数，kmemleak 提供了 kmemleak_ignore， kmemleak_scan_area，kmemleak_no_scan 和 kmemleak_erase 函数（见上）。 任务栈也会增加假阴性的数量并且默认不开启对它们的扫描。

假阳性是对象被误报为内存泄露（孤立对象）。对于已知未泄露的对象，kmemleak 提供了 kmemleak_not_leak 函数。同时 kmemleak_ignore 可以用于标记已知不包含任何 其他指针的内存块，标记后该内存块不会再被扫描。

一些被报告的泄露仅仅是暂时的，尤其是在 SMP（对称多处理）系统中，因为其指针 暂存在 CPU 寄存器或栈中。Kmemleak 定义了 MSECS_MIN_AGE（默认值为 1000） 来表示一个被报告为内存泄露的对象的最小存活时间。

限制和缺点

主要的缺点是内存分配和释放的性能下降。为了避免其他的损失，只有当 /sys/kernel/debug/kmemleak 文件被读取时才会进行内存扫描。无论如何，这个工具是出于 调试的目标，性能表现可能不是最重要的。

为了保持算法简单，kmemleak 寻找指向某个内存块范围中的任何值。这可能会引发假阴性 现象的出现。但是，最后一个真正的内存泄露也会变得明显。

非指针值的数据是假阴性的另一个来源。在将来的版本中，kmemleak 仅仅会扫 描已分配结构体中的指针成员。这个特性会解决上述很多的假阴性情况。

Kmemleak 会报告假阳性。这可能发生在某些被分配的内存块不需要被释放的情况下 （某些 init_call 函数中），指针的计算是通过其他方法而不是常规的 container_of 宏 或是指针被存储在 kmemleak 没有扫描的地方。

页分配和 ioremap 不会被追踪。

使用 kmemleak-test 测试

为了检测是否成功启用了 kmemleak，你可以使用一个故意制造内存泄露的模块 kmemleak-test。设置 CONFIG_SAMPLE_KMEMLEAK 为模块（不能作为内建模块使用） 并且启动启用了 kmemleak 的内核。加载模块并执行一次扫描:

# modprobe kmemleak-test
# echo scan > /sys/kernel/debug/kmemleak

注意你可能无法立刻或在第一次扫描后得到结果。当 kmemleak 得到结果，将会输出日 志 kmemleak: <count of leaks> new suspected memory leaks 。然后通过读取文件 获取信息:

# cat /sys/kernel/debug/kmemleak
unreferenced object 0xffff89862ca702e8 (size 32):
  comm "modprobe", pid 2088, jiffies 4294680594 (age 375.486s)
  hex dump (first 32 bytes):
    6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b  kkkkkkkkkkkkkkkk
    6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b 6b a5  kkkkkkkkkkkkkkk.
  backtrace:
    [<00000000e0a73ec7>] 0xffffffffc01d2036
    [<000000000c5d2a46>] do_one_initcall+0x41/0x1df
    [<0000000046db7e0a>] do_init_module+0x55/0x200
    [<00000000542b9814>] load_module+0x203c/0x2480
    [<00000000c2850256>] __do_sys_finit_module+0xba/0xe0
    [<000000006564e7ef>] do_syscall_64+0x43/0x110
    [<000000007c873fa6>] entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
...

用 rmmod kmemleak_test 移除模块时也会触发 kmemleak 的结果输出。