C程序的内存访问监视器

Question

我正在尝试追踪对堆分配内存的内存访问。

例如，如果我有以下代码：

void set_value(int* buffer, size_t pos, int value) {
    buffer[pos] = value;
}
int main(void) {    
    int* buffer = malloc(BUFF_SIZE * sizeof(int));
    set_value(buffer, 2, 10);
    set_value(buffer, 3, 12);

    free(buffer);
    return 0;
}

我主要关注能够访问内存和已修改内容地址的函数。

我曾尝试使用多个内存工具，如ptrace、strace、ASan和Dmalloc，但均未达到预期结果。

另一个想法是修改内存，使用mprotect更改内存保护并编写Page Faults处理程序。我将内存设为只读，当进行写操作时，处理程序会修改页面保护，然后让函数写入内存中的内容，但之后我无法再将页面设置为只读以进行进一步访问。

您有什么建议可以监控每次对堆内存的写操作吗？

- Florin Avram

---

使用 gdb，您可以在地址上设置硬件断点。GDB 将它们称为 watchpoint。据我所知，在 x86 平台上，您最多只能设置 4 个 watchpoints，但这可能是一些实现细节？对此我不是100％确定。请参见 https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Set-Watchpoints.html。 - inetknght

您有考虑使用 memcmp() 函数吗？对于您想要监视的数据块，您可以保留一个 _副本_，然后定期检查感兴趣的内存位置是否仍与其副本匹配。memcmp(copy, location, len_location); - ryyker

请提供更多细节。您是对来自应用程序内部的运行时通知感兴趣，还是使用外部工具，或者在评论中提到的调试方法已经足够？_DMalloc_发布了与您所描述的要求完全匹配的功能。那么 DMalloc 到底有什么问题？ - ryyker

你使用的操作系统是什么？ - Ivan Angelov

@ryyker DMalloc，据我所知并且能够创建它，可以帮助您记录堆不一致或非法访问的统计信息。我希望我的应用程序监视合法和非法写入。 基本上，每次动态分配的内存区域被写入时，我的应用程序都应将其记录到文件中。 - Florin Avram

Answer 1

如果您愿意监控每个内存访问，我建议您看一下像PIN [1]和/或DynInst [2]这样的软件包。它们都是动态二进制仪器包，允许您修改应用程序二进制文件以注入所需的代码。在这种情况下，这两个工具都允许您检测每个单独指令并知道它们引用的地址（如果它们是读取/存储操作）。然后，如果您只对由malloc（或realloc，或calloc）分配的内存感兴趣，您还可以检测这些例程以捕获它们的入口参数和退出值，以确定所需内存区域。这两个工具提供类似的功能。我认为它们的主要区别在于PIN专门针对英特尔处理器，而DynInst是一个开源项目，支持不同的处理器架构（Intel，IBM-Power，ARM）。

由于这种情况下的检测每个指令可能成本较高，而且您可以采样内存引用，我建议您探索最近英特尔处理器上的PEBS基础设施[3]（AMD处理器有类似的称为IBS）。PEBS可从Linux操作系统中提供的perf工具中使用[4]（我不知道它是否在其他操作系统上可用）

[1] PIN https://software.intel.com/en-us/articles/pin-a-dynamic-binary-instrumentation-tool

[2] DynInst http://www.dyninst.org

[3] Intel手册第18.4.4节精确事件基础采样（PEBS）http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-vol-3b-part-2-manual.pdf

[4] Linux perf采样内存地址https://lwn.net/Articles/531766/

- Harald

Answer 2

更好的工具来实现这个目的是利用所有现代处理器中的新功能，即所谓的硬件性能计数器。要访问这些计数器，您需要一个特殊的API，我向您推荐PAPI（性能API）。它提供了大量的函数来访问这些计数器，并测量所有微架构事件，例如缓存命中、缺失、浮点运算等等。

- husin alhaj ahmade