使用Windbg定位Windows C++程序中的内存泄露

Posted 2021-12-11 link-初扬

目录

1、概述

2、使用Windbg监测内存泄露的一般步骤

3、详解整个操作过程

3.1、gflags.exe和umdh.exe介绍

3.2、启动cmd命令行

3.3、设置pdb符号库路径

3.4、调用gflags设置启用udmh.exe的堆栈跟踪

3.5、第一次使用umdh抓取堆内存使用快照

3.6、第二次使用umdh抓取堆内存使用快照

3.7、比较两次堆内存使用快照，得出结论

4、Windbg分析内存泄露的不足

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       最近有个客户在使用我们的Windows软件时又遇到了内存泄露问题，软件在客户的机器环境上运行半个多小时后就会出现闪退崩溃。去年我们也遇到过类似的问题，很大概率是第三方安全软件导致的，第三方安全库注入到我们的进程中，应该是注入的库有内存泄露，导致我们的进程出现问题。本文简单讲述一下如何使用Windbg来定位Windows程序中的内存泄露问题。

1、概述

       Windows平台上分析内存泄露的工具有很多，比如Rational Purify、BoundsChecker等。但这些工具已经好几年不再维护了，老的版本已不再兼容较新的Visual Studio了。即便能兼容，也是比较麻烦的，比如BoundsChecker就需要将头文件和库添加到工程中重新编译程序，大型软件中包含了多个模块，在不确定发生内存泄露的模块的情况下，在所有模块中都添加BoundsChecker的文件重新编译一下是不现实的。

       我们需要一个工具，在不需要重新编译程序的情况下，就能直接去分析程序是否存在内存泄露。之前一直在寻找这样的工具，一直没有找到合适的。使用过腾讯的tMemoryMonitor内存监测工具，但该工具并不好用，很多实际场景下的内存泄露都监测不到。

       最后只能使用Windbg去检测内存泄露。Windbg是微软提供的Windows下强大的调试工具，可以分析多种软件异常问题，在我们日常开发过程中会频繁地使用到该工具，但之前使用Windbg监测内存泄露问题还是第一次。目前我们已经使用Windbg定位了好几起内存泄露的问题，Windbg还是比较给力的。

2、使用Windbg监测内存泄露的一般步骤

       在监测之前，需要安装新版本的Windbg，因为我们实际上是使用Windbg安装目录下的gflags.exe和umdh.exe两个程序去完成内存监测的。

       新版本的Windbg已经合并到Windows SDK包中，要安装Windbg，则需要下载Windows SDK开发包，在安装时可以选择只安装Windbg，操作起来有点小麻烦。我已经将10.0版本的Windbg安装包上传至CSDN上，直接去下载安装即可，其链接为：https://download.csdn.net/download/chenlycly/34256522https://download.csdn.net/download/chenlycly/34256522https://download.csdn.net/download/chenlycly/34256522

        使用gflags.exe和umdh.exe监测内存泄露的一般步骤如下：

1）右键以管理员权限启动cmd命令行窗口，用cd命令，切换到windbg的安装目录中，比如我的安装路径是：C:\\Program Files\\Windows Kits\\10\\Debuggers\\x86。
2）在cmd中输入：gflags /i XXX.exe +ust。
3）在cmd中输入：umdh.exe -pn:XXX.exe -f:E:\\log1.txt，等待命令执行完成。
4）让软件运行一会，操作软件使之产生内存泄露。
5）在cmd中输入：umdh.exe -pn:XXX.exe -f:E:\\log2.txt，等待命令执行完成。
6）在cmd中输入：umdh.exe E:\\log1.txt E:\\log2.txt -f:E:\\result.txt，等待命令执行完成。
7）查看result.txt文件中的堆内存使用变化的统计，定位问题。

3、详解整个操作过程

3.1、gflags.exe和umdh.exe介绍

        gflags.exe和umdh.exe是新版本Windbg安装路径下的程序。

        gflags.exe (Global Flags) ，全局标志编辑器 ，用来启用和禁用高级调试、诊断和故障排除功能。 它通常用于打开其他工具跟踪、计数和日志的指示器。可以通过命令行执行其相关的操作，也可以在gflags的UI界面上设置：

       umdh.exe（User-Mode Dump Heap），用户转储堆程序，用来追踪并分析进程的堆内存分配。 对于每个堆内存的分配，umdh都可以追踪其分配的大小、开销的大小、指向分配的指针和分配堆栈。 如果进程具有多个活动内存堆，umdh将追踪所有堆。 此类分析可以实时展示，也可以保存在日志文件中。该工具程序是没有UI界面，是通过cmd命令行执行相关操作的。

3.2、启动cmd命令行

       一般我们需要右键以管理员权限运行cmd命令行窗口，特别是在Win10系统中。然后用cd命令，切换到windbg的安装目录中，比如我的安装路径是：C:\\Program Files\\Windows Kits\\10\\Debuggers\\x86，以方便下面在命令行中直接启动该路径下的gflags.exe和umdh.exe两个程序。

3.3、设置pdb符号库路径

       umdh最终会分析出使用堆内存的函数调用堆栈，为了方便查看到函数调用堆栈中的具体函数，可以设置pdb符号库文件路径。我们可以在命令行中设置如下的环境变量：

set _NT_SYMBOL_PATH="D:\\MySymbols;srv*C:\\WINDOWS\\Symbols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols"

环境变量的名称为_NT_SYMBOL_PATH，其值是包含pdb的路径。路径包含两部分，前半部分的D:\\MySymbols是我们软件模块的符号库文件，后半部分则是微软系统库在线下载的符号库路径。

       如果不想设置微软系统库在线pdb路径，可以只设置软件自己模块的pdb文件。除了在命令行中添加环境变量，也可以在系统中添加环境变量。以win10系统为例，在系统搜索栏中搜索环境变量，找到编辑环境变量的入口，依次操作即可：

3.4、调用gflags设置启用udmh.exe的堆栈跟踪

        继续在cmd命令行中输入：

gflags /i XXX.exe +ust

其中/i用来指定目标进程的名称，参数ust的含义是：Create user mode stack trace database。此命令用来给目标进程创建用户模式堆栈跟踪数据库，用于追踪堆内存的使用情况。

3.5、第一次使用umdh抓取堆内存使用快照

        继续在cmd命令行中输入：

umdh.exe -pn:XXX.exe -f:E:\\log1.txt

其中-pn参数用来指定目标进程的进程名，-f参数用来指定存放抓取来的堆内存使用快照数据信息。此命令运行后，将第一次抓取的堆内存使用快照数据保存到E:\\log1.txt中。

       输入该命令后，让程序运行一会，尽可能运行的时间长一会，保证在这段时间内产生足够多的内存泄露，这样windbg的监测结果更准确一些。

3.6、第二次使用umdh抓取堆内存使用快照

        继续在cmd中输入如下的命令：

umdh.exe -pn:XXX.exe -f:E:\\log2.txt

命令说明同上。此命令运行后，将第二次抓取的堆内存使用快照数据保存到E:\\log2.txt中。

3.7、比较两次堆内存使用快照，得出结论

        最后在cmd中输入：

umdh.exe E:\\log1.txt E:\\log2.txt -f:E:\\result.txt

即比较log1.txt 和log2.txt两文件中的堆内存使用变化量，得出统计数据，将统计结果保存到E:\\result.txt文件中。打开E:\\result.txt，即可查看到堆内存的变化情况，按堆内存申请数量从高到底排列，每一项统计结果都有详细的函数调用堆栈，一般我们只需要分析使用量较高的几项即可。一般第一项就是发生内存泄露的堆栈，比如：

 4、Windbg分析内存泄露的不足

       Windbg只能监测两个时间点的申请堆内存的变化量，并没有去统计释放的堆内存，这一点和Linux上排查内存泄露的神器Valgrind要差一些。所以Windbg统计出来的结果中，排在第一位的项可能并不是内存泄露的项，需要我们去结合代码将其他几项过滤掉，最终确定发生内存泄露的那一项。