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:Original: Documentation/dev-tools/kmemleak.rst
:Translator: 刘浩阳 Haoyang Liu <tttturtleruss@hust.edu.cn>

内核内存泄露检测器
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Kmemleak 提供了一个类似 `可追踪的垃圾收集器 <https://en.wikipedia.org/wiki/Tra
cing_garbage_collection>`_ 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
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"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
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通过 :c:func:`kmalloc`, :c:func:`vmalloc`, :c:func:`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
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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
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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
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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
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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
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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
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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。