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Linux：如何調(diào)試 Malloc 的底層源碼

作者：一線碼農(nóng)聊技術(shù)
系統(tǒng) Linux
對 Win32 級別的 libc 進行源碼調(diào)試，有助于我們對書籍中那些malloc的底層理論知識有一個很好的眼見為實，也是給Linux上的.NET高級調(diào)試打開了一扇窗！

一、背景 

1. 講故事

上一篇我們聊過 C# 調(diào)用 C 的 malloc 代碼來演示heap的內(nèi)存泄露問題，但要想深入研究得必須把 malloc 的實現(xiàn)庫 libc.so 給調(diào)試起來，大家都知道在Linux 上 libc 和 Windows 的 Win32 API 是一個層級的，由于 Linux 重度依賴 libc，比較吐槽的是兩者各自為政，如果手工編譯 libc，容易搞出很多兼容性問題，這一點真的不如 Windows 的大一統(tǒng)來的痛快，手工編譯比較繁瑣，用此篇來記錄下。

二、手工編譯 libc 

1. 下載 libc 2.39 源代碼

要想知道下載哪個版本的 libc，可以用 ldd 觀察現(xiàn)存的 libc 版本，參考如下：

root@ubuntu2404:/data# ldd /bin/bash | grep libc
 libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x0000737556800000)
root@ubuntu2404:/data# /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
GNU C Library (Ubuntu GLIBC 2.39-0ubuntu8.4) stable release version 2.39.
Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the sourcefor copying conditions.
There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A
PARTICULAR PURPOSE.
Compiled by GNU CC version 13.3.0.
libc ABIs: UNIQUE IFUNC ABSOLUTE
Minimum supported kernel: 3.2.0
For bug reporting instructions, please see:
<https://bugs.launchpad.net/ubuntu/+source/glibc/+bugs>.

從卦象看，當前 libc 的版本是 Ubuntu GLIBC 2.39-0ubuntu8.4，接下來下載 2.39 版本的源代碼進行編譯即可。

root@ubuntu2404:/src# wget http://ftp.gnu.org/gnu/libc/glibc-2.39.tar.gz
root@ubuntu2404:/src# tar -xzf glibc-2.39.tar.gz && cd glibc-2.39 && mkdir build && cd build
root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ../configure --prefix=/usr --enable-debug=yes
root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# make -j$(nproc)
root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ./libc.so --version
GNU C Library (GNU libc) stable release version 2.39.
Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
...

稍等片刻后，就可以看到源碼編譯出來的 libc.so ，截圖如下：

圖片

2. 配置 C 代碼

寫了一段簡單的 C 代碼，參考如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    // getchar();    !!! 先注釋掉的，后續(xù)放開
    void *ptr = malloc(100);
    if (ptr == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "malloc failed\n");
        return1;
    }
    free(ptr);
    printf("malloc and free succeeded\n");
    getchar();
    return0;
}

為了能夠加載我的libc庫，使用 `LD_PRELOAD` 環(huán)境變量指定，本想用 gdb 啟動調(diào)試的方式執(zhí)行 main，無奈編譯出來的 __vdso_timeDuring 和 kernel 有兼容性問題導(dǎo)致報錯，輸出如下：

``` C#
root@ubuntu2404:/data# gdb ./main
Reading symbols from ./main...
(gdb) set environment LD_PRELOAD /src/glibc-2.39/build/libc.so
(gdb) run
Starting program: /data/main 
     58340: __vdso_timeDuring startup program terminated with signal SIGSEGV, Segmentation fault.

一定搗鼓之后，我發(fā)現(xiàn)不用 gdb 啟動就沒有問題，同時內(nèi)存段也掛上了我的自定義libc，太棒了，輸出如下：

root@ubuntu2404:/data# LD_PRELOAD=/src/glibc-2.39/build/libc.so ./main
mallocandfree succeeded

root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ps -ef | grep main
root       58361    1251013:55 pts/0    00:00:00 ./main
root       58366    1869013:56 pts/1    00:00:00 grep --color=auto main

root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# cat /proc/58361/maps
60fc4cd29000-60fc4cd2a000 r--p 0000000008:031703942                    /data/main
60fc4cd2a000-60fc4cd2b000 r-xp 0000100008:031703942                    /data/main
60fc4cd2b000-60fc4cd2c000 r--p 0000200008:031703942                    /data/main
60fc4cd2c000-60fc4cd2d000 r--p 0000200008:031703942                    /data/main
60fc4cd2d000-60fc4cd2e000 rw-p 0000300008:031703942                    /data/main
60fc8a96c000-60fc8a98d000 rw-p 0000000000:000                          [heap]
7add43aaa000-7add43aad000 rw-p 0000000000:000
7add43aad000-7add43ad1000 r--p 0000000008:032915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
7add43ad1000-7add43c21000 r-xp 0002400008:032915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
7add43c21000-7add43c78000 r--p 0017400008:032915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
7add43c78000-7add43c7c000 r--p 001ca000 08:032915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
7add43c7c000-7add43c7e000 rw-p 001ce000 08:032915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
...

這就叫在絕望中尋找希望，既然能運行，那就用 gdb 附加調(diào)試吧，只要能研究到 malloc 的底層代碼才是最終目的。。。

把 main() 函數(shù)入口的 getchar() 給注釋掉，方便在 malloc 之前通過 attach 附加，為了能夠在 vscode 中操作，新增一個對可執(zhí)行文件可控的 launch.json，內(nèi)容如下：

{
    "configurations": [
        {
            "name": "C/C++: gcc build and debug active file",
            "type": "cppdbg",
            "request": "attach",
            "program": "${fileDirname}/${fileBasenameNoExtension}",
            "processId": "${command:pickProcess}",      // 選擇要附加的進程
            "stopAtEntry": false,
            "setupCommands": [
                {
                    "description": "Enable pretty-printing for gdb",
                    "text": "-enable-pretty-printing",
                    "ignoreFailures": true
                },
                {
                    "description": "Set Disassembly Flavor to Intel",
                    "text": "-gdb-set disassembly-flavor intel",
                    "ignoreFailures": true
                }
            ],
        }
    ],
    "version": "2.0.0"
}

再新增一個 gcc 編譯的 task 任務(wù)文件 (task.json),內(nèi)容如下：

{
    "tasks": [
        {
            "type": "cppbuild",
            "label": "C/C++: gcc build active file",
            "command": "/usr/bin/gcc",
            "args": [
                "-fdiagnostics-color=always",
                "-g",
                "${file}",
                "-o",
                "${fileDirname}/${fileBasenameNoExtension}"
            ],
            "options": {
                "cwd": "${fileDirname}"
            },
            "problemMatcher": [
                "$gcc"
            ],
            "group": {
                "kind": "build",
                "isDefault": true
            },
            "detail": "Task generated by Debugger."
        }
    ],
    "version": "2.0.0"
}

稍微解釋一下：

  • "processId": "${command:pickProcess}" 表示彈框選擇你要附加的進程。
  • "request": "attach" 使用附加進程的模式

在 vscode 中使用 Ctrl+Shift+B 或者 gcc -g main.c -o main 對代碼進行構(gòu)建，接下來執(zhí)行代碼。

root@ubuntu2404:/data# LD_PRELOAD=/src/glibc-2.39/build/libc.so ./main

root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ps -ef | grep main
root       58992    1251  0 14:14 pts/0    00:00:00 ./main
root       58999    1869  0 14:16 pts/1    00:00:00 grep --color=auto main

點擊UI中 Run -> Start Debugging 選擇要附加的 pid=58992 ，截圖如下：

圖片圖片

3. 觀察效果

vscode 附加成功后，在 UI 上 Enter 回車過掉 getchar()，單步 F11 調(diào)試即可進入 malloc 方法實現(xiàn)，挺有意思的，最后給大家截一張大圖：

圖片圖片

三、總結(jié) 

對 Win32 級別的 libc 進行源碼調(diào)試，有助于我們對書籍中那些malloc的底層理論知識有一個很好的眼見為實，也是給Linux上的.NET高級調(diào)試打開了一扇窗！


責(zé)任編輯：武曉燕 來源： 一線碼農(nóng)聊技術(shù)
Win32源碼malloc
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