一个耗时4小时的内存泄漏问题

上周像往常一样例行检查线上机器性能，突然发现一个服务的内存使用率是这样的：

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很显然该服务存在内存泄漏问题，赶紧排查问题。

问题排查

首先确定内存泄漏问题出现的时间，发现在该时间点的上线有两次代码提交，其中一个就是我的。于是立刻排查这两次代码的改动，确定了另一个同事的代码不可能会有内存问题后(因为另一个同事的上线仅仅修改了配置)我知道肯定是自己的代码出现了问题。

确定了问题所在后赶紧把自己的代码回滚掉，接下来就可以放心debug了。

Debug

什么是内存泄漏？

简单的讲就是程序员申请的内存在使用完后没有还给操作系统，由于笔者使用的是C++语言，因此内存泄漏一般是这样的： 

 
 
 
 

  
  
  
  
obj* o = new obj();  
  
  
  
  
...  
  
  
  
  
// 使用完obj后没有delete掉 
 
 
 
 

肯定有什么地方申请了内存后没有调用delete释放内存。

在这里介绍一下笔者的代码改动，我的任务其实是重构一段代码，把这段代码并行化。也就是旧的逻辑是在一个线程中串行执行的，现在我要把这段逻辑放到两个线程中并行执行，这是最让人头疼的任务之一，并行化改造是比较容易出bug的。

接下来梳理了一遍中所有内存的申请和释放，这其中包括：

•  使用new/delete分配释放的内存
•  使用内存池分配释放的内存

仔细梳理一遍后没有发现任何问题，该释放的内存都已经释放掉了，这时笔者已经开始怀疑人生了 ???? ，很显然还有一段没有注意到的地方出现了问题，这是必然的，虽然知道问题必然出现在改动的这些代码里但是我并不能确定出现的位置。

没有办法，到这里基本上已经要放弃自己人肉debug了，想利用一些内存检测工具来帮助自己确定问题。

常见的内存泄漏检测工具包括valgrind、gperftools等，valgrind的好处在于无需重新编译代码即可进行内存检测，但是缺点是会使得程序运行非常缓慢，官方文档给的说法是会比正常的程序运行慢20-30倍；gperftools则需要重新编译可执行程序。这些工具需要下载安装测试，其中还涉及到申请机器权限等问题，笔者觉得还是比较麻烦，况且这个问题也不是大海捞针一样，问题肯定出在了并行化的这段代码中。

到这里我决定再换一个思路来排查问题，既然代码重构后开始并行执行，那么出现问题大概率是因为多线程问题，遇到多线程问题首先重点排查的就是线程间的共享数据。

多线程问题的关键——共享数据

我们知道如果线程之间没有共享数据那么就不会有线程安全问题，我们使用的锁、信号量、条件变量等其实都是用来保护共享数据的，比如锁通常是用来包括临界区的，临界区中的代码操作的就是线程共享数据；信号量使用的一个经典场景就是生产者消费者问题，生产者线程以及消费者线程都会操作同一个队列，这里的队列就是共享数据。

沿着这个思路开始找在两个线程中都使用到的共享数据，果不其然，在一个角落中发现了这样一段代码： 

 
 
 
 

  
  
  
  
auto* pb = global->mutable_obj(); 
 
 
 
 

这是分配protobuf对象的一段代码，protobuf是Google开发是一种类似于JSON、XML的技术，因此常用于网络通信和数据交换等场景，比如RPC等。

如果你不了解protobuf也没有关系，实际上上面的这段代码的要做的事情是这样的： 

 
 
 
 

  
  
  
  
if (global->obj == NULL) {  
  
  
  
  
  global->obj = new obj();  
  
  
  
  
}  
  
  
  
  
return global->obj; 
 
 
 
 

值得注意的是这段代码现在会在两个线程中执行，显然问题就出现在了这里。

那么问题是怎么出现的呢？

我们假设有两个线程，线程A和线程B，当这样一段代码在线程AB中同时执行时可能会有以下场景：

•  线程A拿到global->obj并检测到此时的global->obj为空，因此决定为其分配内存，但不巧的是此时发生线程切换，线程A在为global->obj分配内存前被暂停运行，如下所示： 

 
 
 
 

  
  
  
  
if (global->obj == NULL) {  
  
  
  
  
    <------- 线程切换，线程A被暂停执行   
  
  
  
  
    global->obj = new obj();  
  
  
  
  
}  
  
  
  
  
return global->obj; 
 
 
 
 

•  线程A被暂停运行后线程B开始执行，这段代码同样会在线程B中执行一遍，因此线程B会首先检查global->obj发现为空，因此为global->obj分配内存，分配完内存后发生线程切换，线程B被暂停运行，如下所示： 

 
 
 
 

  
  
  
  
if (global->obj == NULL) {  
  
  
  
  
    global->obj = new obj();  
  
  
  
  
    <------- 线程切换，线程B被暂停执行   
  
  
  
  
}  
  
  
  
  
return global->obj; 
 
 
 
 

• 线程B被暂停运行后调度器决定重新运行线程A，此时线程A开始从被中断的地方继续运行，还记得线程A是从哪里被中断的吗，没错，就是在为global->obj分配内存前被中断的，此时线程A继续运行，也就是说global->obj = new obj()这段代码又被执行了一次，虽然线程B已经为global->obj分配了内存。

Oops，典型的内存泄漏，线程B分配的内存再也无法被正常释放掉了。

至此，我们已经找到了问题的原因，罪魁祸首就是共享数据，关键的一点是要意识到你的线程会随时被中断执行，CPU会随时切换到其它线程。

代码修复也非常简单，再新增一个变量，两个线程不在使用共享数据，到这里问题就解决了，从发现问题到完成修复耗时大概4小时。

经验教训

代码的并行化重构是一件非常棘手的任务，很容易出现线程安全问题，解决线程安全问题首先要考虑的不是要不要加锁，而是多个线程是否真的有必要使用共享数据，没有必要的话多个线程操作私有数据根本就不会出现线程安全问题。

当出现线程安全问题时，第一时间重点排查线程使用的共享数据。

内存泄漏检测工具

虽然这些没有使用检测工具全靠人肉debug其实还是因为问题排查范围比较小，如果我们根本就不知道问题出现在了那次代码改动那么检测工具就非常重要了，在这里简单介绍一下valgrind的使用，详细的介绍请参考官方文档。

假设有这样一段问题代码： 

 
 
 
 

  
  
  
  
#include   
  
  
  
  
void f(void)    
  
  
  
  
{  
  
  
  
  
   int* x = malloc(10 * sizeof(int));  
  
  
  
  
   x[10] = 0;        // 问题1: 越界  
  
  
  
  
}                    // 问题2: 内存泄漏，x没有被释放掉   
  
  
  
  
int main()   
  
  
  
  
{  
  
  
  
  
   f();  
  
  
  
  
   return 0;  
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

这段代码中有两个问题：一个是数据的越界访问；另一个是内存泄漏。将该程序编译为myprog。

接下来使用valgrind来检查该程序，使用以下命令： 

 
 
 
 

  
  
  
  
valgrind --leak-check=yes myprog 
 
 
 
 

运行完成后valgrind会给出检测报告，关于程序越界访问会给出这样的输出： 

 
 
 
 

  
  
  
  
==19182== Invalid write of size 4  
  
  
  
  
==19182==    at 0x804838F: f (example.c:6)  
  
  
  
  
==19182==    by 0x80483AB: main (example.c:11)  
  
  
  
  
==19182==  Address 0x1BA45050 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd  
  
  
  
  
==19182==    at 0x1B8FF5CD: malloc (vg_replace_malloc.c:130) 
  
  
  
  
==19182==    by 0x8048385: f (example.c:5)  
  
  
  
  
==19182==    by 0x80483AB: main (example.c:11) 
 
 
 
 

第一行告诉你代码中存在Invalid write，也就是无效的写，并给出了问题出现的位置。

关于内存泄漏问题会给出这样的输出： 

 
 
 
 

  
  
  
  
==19182== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1  
  
  
  
  
==19182==    at 0x1B8FF5CD: malloc (vg_replace_malloc.c:130)  
  
  
  
  
==19182==    by 0x8048385: f (example.c:5)  
  
  
  
  
==19182==    by 0x80483AB: main (example.c:11) 
 
 
 
 

这里第一行报告了内存"definitely lost"，也就是说一定会存在内存泄漏，并给出了问题出现的位置。

实际上除了"definitely lost"，valgrind还会给出"probably lost"的报告，这两种报告的含义是这样的：

•  "definitely lost"：你的程序一定存在内存泄漏问题，修复。
•  "probably lost"：你的程序看起来像是有内存泄漏，有可能你在使用指针完成一些特定操作，因此不一定100%存在问题。

总结

编写正确的多线程代码从来不是一件容易的事情，线程安全问题的根源在于共享资源，因此在使用共享资源前务必确认我们一定要用共享资源吗？

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