loop in codes

Kevin Lynx BLOG

记一次tcmalloc分配内存引起的coredump

现象

线上的服务出现coredump,堆栈为:

#0  0x000000000045d145 in GetStackTrace(void**, int, int) ()
#1  0x000000000045ec22 in tcmalloc::PageHeap::GrowHeap(unsigned long) ()
#2  0x000000000045eeb3 in tcmalloc::PageHeap::New(unsigned long) ()
#3  0x0000000000459ee8 in tcmalloc::CentralFreeList::Populate() ()
#4  0x000000000045a088 in tcmalloc::CentralFreeList::FetchFromSpansSafe() ()
#5  0x000000000045a10a in tcmalloc::CentralFreeList::RemoveRange(void**, void**, int) ()
#6  0x000000000045c282 in tcmalloc::ThreadCache::FetchFromCentralCache(unsigned long, unsigned long) ()
#7  0x0000000000470766 in tc_malloc ()
#8  0x00007f75532cd4c2 in __conhash_get_rbnode (node=0x22c86870, hash=30)
        at build/release64/cm_sub/conhash/conhash_inter.c:88
#9  0x00007f75532cd76e in __conhash_add_replicas (conhash=0x24fbc7e0, iden=<value optimized out>)
        at build/release64/cm_sub/conhash/conhash_inter.c:45
#10 0x00007f75532cd1fa in conhash_add_node (conhash=0x24fbc7e0, iden=0) at build/release64/cm_sub/conhash/conhash.c:72
#11 0x00007f75532c651b in cm_sub::TopoCluster::initLBPolicyInfo (this=0x2593a400)
        at build/release64/cm_sub/topo_cluster.cpp:114
#12 0x00007f75532cad73 in cm_sub::TopoClusterManager::processClusterMapTable (this=0xa219e0, ref=0x267ea8c0)
        at build/release64/cm_sub/topo_cluster_manager.cpp:396
#13 0x00007f75532c5a93 in cm_sub::SubRespMsgProcess::reinitCluster (this=0x9c2f00, msg=0x4e738ed0)
        at build/release64/cm_sub/sub_resp_msg_process.cpp:157
...

查看了应用层相关数据结构,基本数据都是没有问题的。所以最初怀疑是tcmalloc内部维护了错误的内存,在分配内存时出错,这个堆栈只是问题的表象。几天后,线上的另一个服务,基于同样的库,也core了,堆栈还是一样的。

最初定位问题都是从最近更新的东西入手,包括依赖的server环境,但都没有明显的问题,所以最后只能从core的直接原因入手。

分析GetStackTrace

确认core的详细位置:

# core在该指令
0x000000000045d145 <_Z13GetStackTracePPvii+21>: mov    0x8(%rax),%r9

(gdb) p/x $rip              # core 的指令位置
$9 = 0x45d145
(gdb) p/x $rax              
$10 = 0x4e73aa58
(gdb) x/1a $rax+0x8         # rax + 8 = 0x4e73aa60
0x4e73aa60:     0x0

该指令尝试从[0x4e73aa60]处读取内容,然后出错,这个内存单元不可读。但是具体这个指令在代码中是什么意思,需要将这个指令对应到代码中。获取tcmalloc的源码,发现GetStackTrace根据编译选项有很多实现,所以这里选择最可能的实现,然后对比汇编以确认代码是否匹配。最初选择的是stacktrace_x86-64-inl.h,后来发现完全不匹配,又选择了stacktrace_x86-inl.h。这个实现版本里也有对64位平台的支持。

stacktrace_x86-inl.h里使用了一些宏来生成函数名和参数,精简后代码大概为:

int GET_STACK_TRACE_OR_FRAMES {
      void **sp;
      unsigned long rbp;
      __asm__ volatile ("mov %%rbp, %0" : "=r" (rbp));
      sp = (void **) rbp;

      int n = 0;
      while (sp && n < max_depth) {
        if (*(sp+1) == reinterpret_cast<void *>(0)) {
          break;
        }
        void **next_sp = NextStackFrame<!IS_STACK_FRAMES, IS_WITH_CONTEXT>(sp, ucp);
        if (skip_count > 0) {
          skip_count--;
        } else {
          result[n] = *(sp+1);
          n++;
        }
        sp = next_sp;
      }
      return n;
    }

NextStackFrame是一个模板函数,包含一大堆代码,精简后非常简单:

template<bool STRICT_UNWINDING, bool WITH_CONTEXT>
    static void **NextStackFrame(void **old_sp, const void *uc) {
      void **new_sp = (void **) *old_sp;
      if (STRICT_UNWINDING) {
        if (new_sp <= old_sp) return NULL;
        if ((uintptr_t)new_sp - (uintptr_t)old_sp > 100000) return NULL;
      } else {
        if (new_sp == old_sp) return NULL;
        if ((new_sp > old_sp)
            && ((uintptr_t)new_sp - (uintptr_t)old_sp > 1000000)) return NULL;
      }
      if ((uintptr_t)new_sp & (sizeof(void *) - 1)) return NULL;

      return new_sp;
    }

上面这个代码到汇编的对比过程还是花了些时间,其中汇编中出现的一些常量可以大大缩短对比时间,例如上面出现了100000,汇编中就有:

0x000000000045d176 <_Z13GetStackTracePPvii+70>: cmp    $0x186a0,%rbx  # 100000=0x186a0

注意NextStackFrame中的 if (STRICT_UNWINDING)使用的是模板参数,这导致生成的代码中根本没有else部分,也就没有1000000这个常量

在对比代码的过程中,可以知道关键的几个寄存器、内存位置对应到代码中的变量,从而可以还原core时的现场环境。分析过程中不一定要从第一行汇编读,可以从较明显的位置读,从而还原整个代码,函数返回指令、跳转指令、比较指令、读内存指令、参数寄存器等都是比较明显对应的地方。

另外注意GetStackTraceRecordGrowth中调用,传入了3个参数:

GetStackTrace(t->stack, kMaxStackDepth-1, 3); // kMaxStackDepth = 31

以下是我分析的简单注解:

(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function _Z13GetStackTracePPvii:
0x000000000045d130 <_Z13GetStackTracePPvii+0>:  push   %rbp
0x000000000045d131 <_Z13GetStackTracePPvii+1>:  mov    %rsp,%rbp
0x000000000045d134 <_Z13GetStackTracePPvii+4>:  push   %rbx
0x000000000045d135 <_Z13GetStackTracePPvii+5>:  mov    %rbp,%rax
0x000000000045d138 <_Z13GetStackTracePPvii+8>:  xor    %r8d,%r8d
0x000000000045d13b <_Z13GetStackTracePPvii+11>: test   %rax,%rax
0x000000000045d13e <_Z13GetStackTracePPvii+14>: je     0x45d167 <_Z13GetStackTracePPvii+55>
0x000000000045d140 <_Z13GetStackTracePPvii+16>: cmp    %esi,%r8d        # while ( .. max_depth > n ?
0x000000000045d143 <_Z13GetStackTracePPvii+19>: jge    0x45d167 <_Z13GetStackTracePPvii+55>
0x000000000045d145 <_Z13GetStackTracePPvii+21>: mov    0x8(%rax),%r9    # 关键位置:*(sp+1) -> r9, rax 对应 sp变量
0x000000000045d149 <_Z13GetStackTracePPvii+25>: test   %r9,%r9          # *(sp+1) == 0 ?
0x000000000045d14c <_Z13GetStackTracePPvii+28>: je     0x45d167 <_Z13GetStackTracePPvii+55>
0x000000000045d14e <_Z13GetStackTracePPvii+30>: mov    (%rax),%rcx      # new_sp = *old_sp,这里已经是NextStackFrame的代码
0x000000000045d151 <_Z13GetStackTracePPvii+33>: cmp    %rcx,%rax        # new_sp <= old_sp ? 
0x000000000045d154 <_Z13GetStackTracePPvii+36>: jb     0x45d170 <_Z13GetStackTracePPvii+64>  # new_sp > old_sp 跳转
0x000000000045d156 <_Z13GetStackTracePPvii+38>: xor    %ecx,%ecx
0x000000000045d158 <_Z13GetStackTracePPvii+40>: test   %edx,%edx        # skip_count > 0 ?
0x000000000045d15a <_Z13GetStackTracePPvii+42>: jle    0x45d186 <_Z13GetStackTracePPvii+86>
0x000000000045d15c <_Z13GetStackTracePPvii+44>: sub    $0x1,%edx        # skip_count--
0x000000000045d15f <_Z13GetStackTracePPvii+47>: mov    %rcx,%rax        
0x000000000045d162 <_Z13GetStackTracePPvii+50>: test   %rax,%rax        # while (sp ?
0x000000000045d165 <_Z13GetStackTracePPvii+53>: jne    0x45d140 <_Z13GetStackTracePPvii+16>
0x000000000045d167 <_Z13GetStackTracePPvii+55>: pop    %rbx
0x000000000045d168 <_Z13GetStackTracePPvii+56>: leaveq 
0x000000000045d169 <_Z13GetStackTracePPvii+57>: mov    %r8d,%eax        # r8 存储了返回值,r8=n
0x000000000045d16c <_Z13GetStackTracePPvii+60>: retq                    # return n
0x000000000045d16d <_Z13GetStackTracePPvii+61>: nopl   (%rax)
0x000000000045d170 <_Z13GetStackTracePPvii+64>: mov    %rcx,%rbx        
0x000000000045d173 <_Z13GetStackTracePPvii+67>: sub    %rax,%rbx        # offset = new_sp - old_sp
0x000000000045d176 <_Z13GetStackTracePPvii+70>: cmp    $0x186a0,%rbx    # offset > 100000 ?
0x000000000045d17d <_Z13GetStackTracePPvii+77>: ja     0x45d156 <_Z13GetStackTracePPvii+38> # return NULL
0x000000000045d17f <_Z13GetStackTracePPvii+79>: test   $0x7,%cl         # new_sp & (sizeof(void*) - 1)
0x000000000045d182 <_Z13GetStackTracePPvii+82>: je     0x45d158 <_Z13GetStackTracePPvii+40>
0x000000000045d184 <_Z13GetStackTracePPvii+84>: jmp    0x45d156 <_Z13GetStackTracePPvii+38>
0x000000000045d186 <_Z13GetStackTracePPvii+86>: movslq %r8d,%rax        # rax = n
0x000000000045d189 <_Z13GetStackTracePPvii+89>: add    $0x1,%r8d        # n++
0x000000000045d18d <_Z13GetStackTracePPvii+93>: mov    %r9,(%rdi,%rax,8)# 关键位置:result[n] = *(sp+1)
0x000000000045d191 <_Z13GetStackTracePPvii+97>: jmp    0x45d15f <_Z13GetStackTracePPvii+47>

分析过程比较耗时,同时还可以分析下GetStackTrace函数的实现原理,其实就是利用RBP寄存器不断回溯,从而得到整个调用堆栈各个函数的地址(严格来说是返回地址)。简单示意下函数调用中RBP的情况:

   ...
saved registers          # i.e push rbx
local variabes           # i.e sub 0x10, rsp
return address           # call xxx
last func RBP            # push rbp; mov rsp, rbp
saved registers
local variables 
return address
last func RBP
...                      # rsp

总之,一般情况下,任何一个函数中,RBP寄存器指向了当前函数的栈基址,该栈基址中又存储了调用者的栈基址,同时该栈基址前面还存储了调用者的返回地址。所以,GetStackTrace的实现,简单来说大概就是:

sp = rbp  // 取得当前函数GetStackTrace的栈基址
    while (n < max_depth) {
        new_sp = *sp
        result[n] = *(new_sp+1)
        n++
    }

以上,最终就知道了以下关键信息:

  • r8 对应变量 n,表示当前取到第几个栈帧了
  • rax 对应变量 sp,代码core在 *(sp+1)
  • rdi 对应变量 result,用于存储取得的各个地址

然后可以看看现场是怎样的:

(gdb) x/10a $rdi
0x1ffc9b98:     0x45a088 <_ZN8tcmalloc15CentralFreeList18FetchFromSpansSafeEv+40>       0x45a10a <_ZN8tcmalloc15CentralFreeList11RemoveRangeEPPvS2_i+106>
0x1ffc9ba8:     0x45c282 <_ZN8tcmalloc11ThreadCache21FetchFromCentralCacheEmm+114>      0x470766 <tc_malloc+790>
0x1ffc9bb8:     0x7f75532cd4c2 <__conhash_get_rbnode+34>        0x0
0x1ffc9bc8:     0x0     0x0
0x1ffc9bd8:     0x0     0x0

(gdb) p/x $r8
$3 = 0x5

(gdb) p/x $rax
$4 = 0x4e73aa58

小结:

GetStackTrace在取调用__conhash_get_rbnode的函数时出错,取得了5个函数地址。当前使用的RBP为0x4e73aa58

错误的RBP

RBP也是从堆栈中取出来的,既然这个地址有问题,首先想到的就是有代码局部变量/数组写越界。例如sprintf的使用。而且,一般写越界破坏堆栈,都可能是把调用者的堆栈破坏了,例如:

char s[32];
memcpy(s, p, 1024);

因为写入都是从低地址往高地址写,而调用者的堆栈在高地址。当然,也会遇到写坏调用者的调用者的堆栈,也就是跨栈帧越界写,例如以前遇到的:

len = vsnprintf(buf, sizeof(buf), fmt, wtf-long-string);
buf[len] = 0;

__conhash_get_rbnode的RBP是在tcmalloc的堆栈中取的:

(gdb) f 7
#7  0x0000000000470766 in tc_malloc ()
(gdb) x/10a $rsp
0x4e738b80:     0x4e73aa58      0x22c86870
0x4e738b90:     0x4e738bd0      0x85
0x4e738ba0:     0x4e73aa58      0x7f75532cd4c2 <__conhash_get_rbnode+34>   # 0x4e73aa58

所以这里就会怀疑是tcmalloc这个函数里有把堆栈破坏,这个时候就是读代码,看看有没有疑似危险的地方,未果。这里就陷入了僵局,怀疑又遇到了跨栈帧破坏的情况,这个时候就只能__conhash_get_rbnode调用栈中周围的函数翻翻,例如调用__conhash_get_rbnode的函数__conhash_add_replicas中恰好有字符串操作:

void __conhash_add_replicas(conhash_t *conhash, int32_t iden)
    {
        node_t* node = __conhash_create_node(iden, conhash->replica);
        ...
        char buf[buf_len]; // buf_len = 64
        ...
        snprintf(buf, buf_len, VIRT_NODE_HASH_FMT, node->iden, i);
        uint32_t hash = conhash->cb_hashfunc(buf);
        if(util_rbtree_search(&(conhash->vnode_tree), hash) == NULL)
        {
            util_rbtree_node_t* rbnode = __conhash_get_rbnode(node, hash);
            ...

这段代码最终发现是没有问题的,这里又耗费了不少时间。后来发现若干个函数里的RBP都有点奇怪,这个调用栈比较正常的范围是:0x4e738c90

(gdb) f 8
#8  0x00007f75532cd4c2 in __conhash_get_rbnode (node=0x22c86870, hash=30)
(gdb) p/x $rbp
$6 = 0x4e73aa58     # 这个还不算特别可疑
(gdb) f 9
#9  0x00007f75532cd76e in __conhash_add_replicas (conhash=0x24fbc7e0, iden=<value optimized out>)
(gdb) p/x $rbp
$7 = 0x4e738c60     # 这个也不算特别可疑
(gdb) f 10
#10 0x00007f75532cd1fa in conhash_add_node (conhash=0x24fbc7e0, iden=0) at build/release64/cm_sub/conhash/conhash.c:72
(gdb) p/x $rbp      # 可疑
$8 = 0x0
(gdb) f 11
#11 0x00007f75532c651b in cm_sub::TopoCluster::initLBPolicyInfo (this=0x2593a400)
(gdb) p/x $rbp      # 可疑
$9 = 0x2598fef0

为什么很多函数中RBP都看起来不正常? 想了想真要是代码里把堆栈破坏了,这错误得发生得多巧妙?

错误RBP的来源

然后转机来了,脑海中突然闪出-fomit-frame-pointer。编译器生成的代码中是可以不需要栈基址指针的,也就是RBP寄存器不作为栈基址寄存器。大部分函数或者说开启了frame-pointer的函数,其函数头都会有以下指令:

push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
...

表示保存调用者的栈基址到栈中,以及设置自己的栈基址。看下__conhash系列函数;

Dump of assembler code for function __conhash_get_rbnode:
0x00007f75532cd4a0 <__conhash_get_rbnode+0>:    mov    %rbx,-0x18(%rsp)
0x00007f75532cd4a5 <__conhash_get_rbnode+5>:    mov    %rbp,-0x10(%rsp)
...

这个库是单独编译的,没有显示指定-fno-omit-frame-pointer,查阅gcc手册,o2优化是开启了omit-frame-pinter 的。

在没有RBP的情况下,tcmalloc的GetStackTrace尝试读RBP取获取调用返回地址,自然是有问题的。但是,如果整个调用栈中的函数,要么有RBP,要么没有RBP,那么GetStackTrace取出的结果最多就是跳过一些栈帧,不会出错。 除非,这中间的某个函数把RBP寄存器另作他用(编译器省出这个寄存器肯定是要另作他用的)。所以这里继续追查这个错误地址0x4e73aa58的来源。

来源已经比较明显,肯定是__conhash_get_rbnode中设置的,因为这个函数的RBP是在被调用者tcmalloc中保存的。

Dump of assembler code for function __conhash_get_rbnode:
0x00007f75532cd4a0 <__conhash_get_rbnode+0>:    mov    %rbx,-0x18(%rsp)
0x00007f75532cd4a5 <__conhash_get_rbnode+5>:    mov    %rbp,-0x10(%rsp)
0x00007f75532cd4aa <__conhash_get_rbnode+10>:   mov    %esi,%ebp                    # 改写了RBP
0x00007f75532cd4ac <__conhash_get_rbnode+12>:   mov    %r12,-0x8(%rsp)
0x00007f75532cd4b1 <__conhash_get_rbnode+17>:   sub    $0x18,%rsp
0x00007f75532cd4b5 <__conhash_get_rbnode+21>:   mov    %rdi,%r12
0x00007f75532cd4b8 <__conhash_get_rbnode+24>:   mov    $0x30,%edi
0x00007f75532cd4bd <__conhash_get_rbnode+29>:   callq  0x7f75532b98c8 <malloc@plt>  # 调用tcmalloc,汇编到这里即可

这里打印RSI寄存器的值可能会被误导,因为任何时候打印寄存器的值可能都是错的,除非它有被显示保存。不过这里可以看出RSI的值来源于参数(RSI对应第二个参数):

void __conhash_add_replicas(conhash_t *conhash, int32_t iden)
    {
        node_t* node = __conhash_create_node(iden, conhash->replica);
        ...
        char buf[buf_len]; // buf_len = 64
        ...
        snprintf(buf, buf_len, VIRT_NODE_HASH_FMT, node->iden, i);
        uint32_t hash = conhash->cb_hashfunc(buf); // hash值由一个字符串哈希函数计算
        if(util_rbtree_search(&(conhash->vnode_tree), hash) == NULL)
        {
            util_rbtree_node_t* rbnode = __conhash_get_rbnode(node, hash);  // hash值
            ...

追到__conhash_add_replicas

0x00007f75532cd764 <__conhash_add_replicas+164>:        mov    %ebx,%esi    # 来源于rbx
0x00007f75532cd766 <__conhash_add_replicas+166>:        mov    %r15,%rdi
0x00007f75532cd769 <__conhash_add_replicas+169>:        callq  0x7f75532b9e48 <__conhash_get_rbnode@plt>

(gdb) p/x $rbx
$11 = 0x4e73aa58
(gdb) p/x hash
$12 = 0x4e73aa58      # 0x4e73aa58

找到了0x4e73aa58的来源。这个地址值竟然是一个字符串哈希算法算出来的!这里还可以看看这个字符串的内容:

(gdb) x/1s $rsp
0x4e738bd0:      "conhash-00000-00133"

这个碉堡的哈希函数是conhash_hash_def

coredump的条件

以上,既然只要某个库omit-frame-pointer,那tcmalloc就可能出错,为什么发生的频率并不高呢?这个可以回到GetStackTrace尤其是NextStackFrame的实现,其中包含了几个合法RBP的判定:

if (new_sp <= old_sp) return NULL;  // 上一个栈帧的RBP肯定比当前的大
        if ((uintptr_t)new_sp - (uintptr_t)old_sp > 100000) return NULL; // 指针值范围还必须在100000内
        ...
    if ((uintptr_t)new_sp & (sizeof(void *) - 1)) return NULL; // 由于本身保存的是指针,所以还必须是sizeof(void*)的整数倍,对齐

有了以上条件,才使得这个core几率变得很低。

总结

最后,如果你很熟悉tcmalloc,整个问题估计就被秒解了:tcmalloc INSTALL

另外附上另一个有意思的东西。

在分析__conhash_add_replicas时,其内定义了一个64字节的字符数组,查看其堆栈:

(gdb) x/20a $rsp
0x4e738bd0:     0x2d687361686e6f63      0x30302d3030303030          # 这些是字符串conhash-00000-00133
0x4e738be0:     0x333331        0x0
0x4e738bf0:     0x0     0x7f75532cd69e <__conhash_create_node+78>
0x4e738c00:     0x24fbc7e0      0x4e738c60
0x4e738c10:     0x24fbc7e0      0x7f75532cd6e3 <__conhash_add_replicas+35>
0x4e738c20:     0x0     0x24fbc7e8
0x4e738c30:     0x4e738c20      0x24fbc7e0
0x4e738c40:     0x22324360      0x246632c0
0x4e738c50:     0x0     0x0
0x4e738c60:     0x0     0x7f75532cd1fa <conhash_add_node+74>

最开始我觉得buf占64字节,也就是整个[0x4e738bd0, 0x4e738c10)内存,但是这块内存里居然有函数地址,这一度使我怀疑这里有问题。后来醒悟这些地址是定义buf前调用__conhash_create_node产生的,调用过程中写到堆栈里,调用完后栈指针改变,但并不需要清空栈中的内容。

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