Разработка приложений в среде Linux. Второе издание - Майкл Джонсон

==2292== определенно потеряно: 5 байт в 1 блоке.

==2292== возможно потеряно: 0 байт в 0 блоке.

==2292== пока достижимы: 0 байт в 0 блоке.

==2292== подавлено: 0 байт в 0 блоке.

==2292== Достижимые блоки (на которые найдены указатели) не показаны.

==2292== Чтобы увидеть их, запустите с: --show-reachable=yes

Инструмент Valgrind включает детализированную информацию по своим возможностям и поддерживает множество опций командной строки, которые модифицируют его поведение. Поскольку Valgrind использует эмулятор центрального процессора, программа в нем выполняется во много раз медленнее, чем обычно в системе. Точное замедление зависит от программы, однако Valgrind задумывался для интерактивных программ.

Valgrind могут слегка ввести в заблуждение программы, скомпилированные с высокими уровнями оптимизации. Если вы получаете отчет об ошибке памяти, которая не выглядит осмысленно, попробуйте перекомпилировать программу с -О вместо -O2 (или выше) и сгенерировать новый отчет.

7.5. Electric Fence

Следующее средство, которое мы рассмотрим — это Electric Fence (доступен на ftp://sunsite.unc.edu/pub/Linux/devel/lang/c и во многих дистрибутивах). Несмотря на то что Electric Fence не обнаруживает утечки памяти, он очень помогает в изоляции переполнений буфера. Каждый современный компьютер (включая все машины, работающие под Linux) обеспечивают аппаратную защиту памяти. Linux этим пользуется для изоляции программ друг от друга (например, сеанс vi не имеет доступа к памяти gcc) и для безопасного разделения кода между процессами, делая его только для чтения. Системный вызов mmap() в Linux (см. главу 13) позволяет процессу воспользоваться также аппаратной защитой памяти.

Electric Fence заменяет обычную функцию malloc() библиотеки С версией, которая распределяет запрошенную память и (обычно) непосредственно после запрошенной выделяет фрагмент памяти, доступ к которой процессу не разрешен. Если процесс попытается получить доступ к этой памяти, ядро немедленно остановит его с выдачей ошибки сегментации. За счет такого распределения памяти Electric Fence обеспечивает уничтожение программы, если та предпримет попытку чтения или записи за границей буфера, распределенного malloc(). Детальную информацию по использованию Electric Fence можно прочитать на его man-странице (man libefence).

7.5.1. Использование Electric Fence

Одна из наиболее примечательных особенностей Electric Fence заключается в простоте ее использования. Нужно всего лишь скомпоновать свою программу с библиотекой libefence.а, указав -lefence в качестве последнего аргумента. В результате код будет готов к отладке. Давайте посмотрим, что происходит при запуске тестовой программы с применением Electric Fence.

$ ./broken

Electric Fence 2.2.0 Copyright (C) 1987 - 1999 Bruce Perens.

1: 12345

Segmentation fault (core dumped)

Ошибка сегментации (дамп ядра сброшен)

Хотя Electric Fence непосредственно не указывает на место, где произошла ошибка, проблема становится намного очевидней. Можно легко и точно определить проблемный участок, запустив программу под управлением отладчика, например gdb. Для того чтоб gdb смог точно указать на проблему, соберите программу с отладочной информацией, указав для gcc флажок -g, затем запустите gdb и зададите имя исполняемого файла, который нужно отладить. Когда программы уничтожается, gdb точно показывает, в какой строке произошел сбой.

Вот как выглядит описанная процедура.

$ gcc -ggdb -Wall -о broken broken.с -lefence

$ gdb broken

...

(gdb) run

Starting program: /usr/src/lad/code/broken

Electric Fence 2.2.0 Copyright (C) 1987 - 1999 Bruce Perens.

1: 12345

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.

Программа получила сигнал SIGSEGV, ошибка сегментации.

0х007948с6 in strcpy() from /lib/tls/libc.so.6

(gdb) where

#0 0x007948c6 in strcpy() from /lib/tls/libc.so.6

#1 0x08048566 in broken() at broken.c:21

#2 0x08048638 in main() at broken.c:47

(gdb)

Благодаря Electric Fence и gdb, становится понятно, что в строке 21 файла broken.с имеется ошибка, связанная со вторым вызовом strcpy().

7.5.2. Выравнивание памяти

Хотя инструмент Electric Fence очень помог в обнаружении второй проблемы в коде, а именно — вызова strcpy(), переполнившего буфер, первое переполнение буфера найдено не было.

Проблему в этом случае нужно решать с помощью выравнивания памяти. Большинство современных компьютеров требуют, чтобы многобайтные объекты начинались с определенных смещений в оперативной памяти. Например, процессоры Alpha требуют, чтобы 8-байтовый тип — длинное целое (long) — начинался с адреса, кратного 8. Это значит, что длинное целое может располагаться по адресу 0x1000 или 0x1008, но не 0x1005[11].

На основе этих соглашений реализации malloc() обычно возвращают память, первый байт которой выровнен в соответствии с размером слова процессора (4 байта для 32-разрядных и 8 байтов на 64-разрядных процессоров). По умолчанию Electric Fence пытается эмулировать такое поведение, предлагая функцию malloc(), возвращающую только адреса, кратные sizeof(int).

В большинстве программ подобное выравнивание не критично, то есть распределение памяти происходит инкрементным образом на основе размера машинного слова либо в виде простых символьных строк, для которых требования по выравниванию не предусмотрены (поскольку каждый элемент занимает всего 1 байт).

В случае с нашей тестовой программой первый вызов malloc() распределил пять байт.

Для того чтобы Electric Fence удовлетворял своим ограничениям по выравниванию, он трактует этот вызов как запрос восьми байт, с дополнительными тремя доступными байтами. В этом случае небольшие переполнения буфера, распространяющиеся на эту область, не перехватываются.

В связи с тем, что выравнивание malloc() обычно можно игнорировать, а выравнивание может способствовать незаметному переполнению буфера, Electric Fence предоставляет возможность управление выравниванием через переменную окружения ЕF_ALIGNMENT. Если эта переменная установлена, все результаты malloc() выравниваются в соответствии с ее значением. Например, если переменная установлена в значение 5, все результаты malloc() будут рассматриваться как кратные 5 (тем не менее, это значение не особенно полезно). Для отключения выравнивания памяти перед запуском программы установите ЕF_ALIGNMENT в 1. В среде Linux некорректно выровненный доступ в любом случае исправляются в ядре, несмотря на то, что в результате скорость выполнения программы может существенно снизиться. Программа будет функционировать корректно, если только в ней не присутствуют небольшие переполнения буфера.

Ниже приведен пример поведения тестовой программы, скомпонованной с Electric Fence, после установки ЕF_ALIGNMENT в 1.

$ export EF_ALIGNMENT=1

$ gdb broken

...

(gdb) run

Starting program: /usr/src/lad/code/broken

Electric Fence 2.2.0 Copyright (C) 1987 - 1999 Bruce Perens.

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.

0x002a78c6 in strcpy() from /lib/tls/libc.so.6

(gdb) where

#0 0x002a78c6 in strcpy() from /lib/tls/libc.so.6

#1 0x08048522 in broken() at broken.c:15

#2 0x08048638 in main() at broken.с:47

На этот раз Electric Fence нашел переполнение буфера, которое произошло первым.

7.5.3. Другие средства

Electric Fence не только помогает обнаружить переполнение буфера, но и может найти недогрузку буфера (выполняя доступ к памяти, расположенной перед началом выделяемого malloc() буфера) и получает доступ к памяти, освобождаемой с помощью free(). Если переменная окружения EF_PROTECT_BELOW установлена в 1, Electric Fence перехватывает недогрузку буфера вместо его переполнения. Это происходит путем размещения недоступной области памяти непосредственно перед фактической областью памяти, возвращаемой функцией malloc(). При этом Electric Fence не сможет обнаружить переполнение буфера из-за страничной организации памяти, реализованной в большинстве процессоров. Выравнивание памяти может затруднить обнаружение переполнения буфера, однако оно не влияет на недогрузку буфера. Функция malloc() из Electric Fence всегда возвращает адрес памяти в начале страницы, которая всегда выровнена по границе слова.

Если EF_PROTECT_FREE установлена в 1, free() делает переданную ей область памяти недоступной, но не возвращает ее в пул свободной памяти. Если программа пытается получить доступ к этой памяти на любом этапе в будущем, ядро обнаружит несанкционированный доступ. Настройка EF_PROTECT_FREE помогает удостовериться, что код ни на одном этапе выполнения не использует память, освобожденную с помощью free().