NDK (C++) 開發中如何使用 ASan 檢測內存越界、溢出等內存錯誤

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什么是 ASan

ASan 是 Address Sanitizer 簡稱，它是是一種基于編譯器用于快速檢測原生代碼中內存錯誤的工具。

簡而言之，ASan 就是一個用于快速檢測內存錯誤的工具。這里很多朋友有誤解，ASan 其實并不能用于內存泄漏檢測，Android 平臺內存泄漏檢測推薦 MallocDebug 。

另外需要注意的是 Android O（API >= 27）及以上版本才支持 ASan ，NDK 需要選用 r20 及以上版本。

ASan 可以檢測到內存錯誤類型如下：

Stack and heap buffer overflow/underflow 棧和堆緩沖區上溢/下溢；
Heap use after free 堆內存被釋放之后還在使用其指針；
Stack use outside scope 在某個局部變量的作用域之外，使用其指針；
Double free/wild free 指針重復釋放的情況。

ASan 支持 arm 和 x86 平臺，使用 ASan 時，APP 性能會變慢且內存占用會飆升。針對 arm64 平臺，Android 官方推薦使用 HWAddress Sanitizer （HWASan），后面會介紹。

關于 ASan 的原理本文不做深入討論，該文章的主要目的是幫助開發者快速上手 ASan 的使用。

這里感性地介紹下 ASan 的工作原理：ASan 相當于接管了內存的分配，當分配一塊內存時，會在這塊內存的前后添加"標志位"，然后再次使用該內存的時候檢查"標志位"是否被修改，當發現"標志位"被修改時，判斷出現內存錯誤。

怎么使用 ASan

之所以寫這篇文件，就是因為發現一些文章介紹 ASan 使用方法搞得非常復雜，不易上手。

其實 Android 官方的使用說明非常簡潔，就是復制黏貼，添加兩行代碼就搞定。

官方文檔：https://developer.android.com/ndk/guides/asan

修改編譯腳本

CMake

APP 下面的 build.gradle 添加：

android {
    defaultConfig {
        externalNativeBuild {
            cmake {
                # Can also use system or none as ANDROID_STL.
                arguments "-DANDROID_ARM_MODE=arm", "-DANDROID_STL=c++_shared"
            }
        }
    }
}

CMakeLists.txt 腳本添加:

target_compile_options(${libname} PUBLIC -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer)
set_target_properties(${libname} PROPERTIES LINK_FLAGS -fsanitize=address)

NDK-BUILD

Application.mk 文件添加：

APP_STL := c++_shared # Or system, or none.
APP_CFLAGS := -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer
APP_LDFLAGS := -fsanitize=address

Android.mk 文件添加：

APP_STL := c++_shared # Or system, or none.
APP_CFLAGS := -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer
APP_LDFLAGS := -fsanitize=address

拷貝 Asan 庫到 jniLibs 目錄下

Asan 庫位于下面路徑下：

android-ndk-r21\toolchains\llvm\prebuilt\windows-x86_64\lib64\clang\9.0.8\lib\linux

64 位 libclang_rt.asan-aarch64-android.so , 32 位 libclang_rt.asan-arm-android.so ，分別拷貝兩個庫到 jniLibs 相應的目錄下。

新建 wrap.sh 文件，拷貝下面內容到文件中：

#!/system/bin/sh
HERE="$(cd "$(dirname "$0")" && pwd)"
export ASAN_OPTIONS=log_to_syslog=false,allow_user_segv_handler=1
ASAN_LIB=$(ls $HERE/libclang_rt.asan-*-android.so)
if [ -f "$HERE/libc++_shared.so" ]; then
    # Workaround for https://github.com/android-ndk/ndk/issues/988.
    export LD_PRELOAD="$ASAN_LIB $HERE/libc++_shared.so"
else
    export LD_PRELOAD="$ASAN_LIB"
fi
"$@"

在 main 文件夾下新建目錄 resources\lib 然后將 wrap.sh 文件拷貝到相應的目錄下面，最終的目錄結構是這樣的：

<project root>
└── app
    └── src
        └── main
            ├── jniLibs
            │   ├── arm64-v8a
            │   │   └── libclang_rt.asan-aarch64-android.so
            │   ├── armeabi-v7a
            │   │   └── libclang_rt.asan-arm-android.so
            │   ├── x86
            │   │   └── libclang_rt.asan-i686-android.so
            │   └── x86_64
            │       └── libclang_rt.asan-x86_64-android.so
            └── resources
                └── lib
                    ├── arm64-v8a
                    │   └── wrap.sh
                    ├── armeabi-v7a
                    │   └── wrap.sh
                    ├── x86
                    │   └── wrap.sh
                    └── x86_64
                        └── wrap.sh

自此 ASan 接入完成，是不是很簡單？

ASan 檢測內存錯誤

這一節我們在代碼中故意設置一些常見的內存錯誤（內存越界等）用來測試 ASan 檢測出來的結果是否正確。需要注意的是，當 ASan 檢測出內存錯誤，程序就會立即 crash ，不再往下執行，log 中會出現關鍵字 AddressSanitizer 。

堆內存溢出

static void HeapBufferOverflow() {
    int *arr = new int[1024];
    arr[0] = 11;
    arr[1024] = 12;
    LOGCATE("HeapBufferOverflow arr[0]=%d, arr[1024]",arr[0], arr[1024]);
}

ASan 檢測結果（crash log）中出現關鍵字 heap-buffer-overflow ：

05-13 19:52:16.247  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg: =================================================================
05-13 19:52:16.247  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg: ==4194==ERROR: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow on address 0x004f0d5a8100 at pc 0x0074f822b648 bp 0x007ff0227a00 sp 0x007ff02279f8
05-13 19:52:16.247  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg: WRITE of size 4 at 0x004f0d5a8100 thread T0
05-13 19:52:16.257 23334 23334 D Launcher_UnlockAnimationStateMachine: mResetIdleStateRunnable
05-13 19:52:16.265  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg:     #0 0x74f822b644  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-mVg7CcQSTXVnJhfo7u0XLA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x146644)
05-13 19:52:16.265  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg:     #1 0x74f8229b20  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-mVg7CcQSTXVnJhfo7u0XLA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x144b20)
05-13 19:52:16.265  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg:     #2 0x74f8229a7c  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-mVg7CcQSTXVnJhfo7u0XLA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x144a7c)
05-13 19:52:16.265  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg:     #3 0x74fdaac0a0  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-mVg7CcQSTXVnJhfo7u0XLA==/oat/arm64/base.odex+0xb0a0)
05-13 19:52:16.265  4194  4194 I com.byteflow.learnffmpeg: ........

棧內存溢出

 //stack-buffer-overflow
 static void StackBufferOverflow() {
     int arr[1024];
     arr[0] = 11;
     arr[1024] = 12;
     LOGCATE("StackBufferOverflow arr[0]=%d, arr[1024]",arr[0], arr[1024]);
 }

ASan 檢測結果（crash log）中出現關鍵字 stack-buffer-overflow ：

05-13 19:54:30.371  5002  5002 I com.byteflow.learnffmpeg: =================================================================
05-13 19:54:30.371  5002  5002 I com.byteflow.learnffmpeg: ==5002==ERROR: AddressSanitizer: stack-buffer-overflow on address 0x007ff02278c0 at pc 0x0074f8bd6640 bp 0x007ff0226890 sp 0x007ff0226888
05-13 19:54:30.372  5002  5002 I com.byteflow.learnffmpeg: WRITE of size 4 at 0x007ff02278c0 thread T0
05-13 19:54:30.389  5002  5002 I com.byteflow.learnffmpeg:     #0 0x74f8bd663c  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-aaLGh4G_-2c2WC7sX0ibag==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x14663c)
05-13 19:54:30.389  5002  5002 I com.byteflow.learnffmpeg:     #1 0x74f8bd4a20  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-aaLGh4G_-2c2WC7sX0ibag==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x144a20)
05-13 19:54:30.389  5002  5002 I com.byteflow.learnffmpeg:     #2 0x74f8bd497c  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-aaLGh4G_-2c2WC7sX0ibag==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x14497c)
......

使用已釋放的指針

//heap-use-after-free
static void UseAfterFree() {
    int *arr = new int[1024];
    arr[0] = 11;
    delete [] arr;
    LOGCATE("UseAfterFree arr[0]=%d, arr[1024]",arr[0], arr[1024]);
}

ASan 檢測結果（crash log）中出現關鍵字 heap-use-after-free ：

05-13 19:56:44.430  5235  5235 I com.byteflow.learnffmpeg: =================================================================
05-13 19:56:44.430  5235  5235 I com.byteflow.learnffmpeg: ==5235==ERROR: AddressSanitizer: heap-use-after-free on address 0x004f0d5a7100 at pc 0x0074f7ac945c bp 0x007ff02279d0 sp 0x007ff02279c8
05-13 19:56:44.430  5235  5235 I com.byteflow.learnffmpeg: READ of size 4 at 0x004f0d5a7100 thread T0
05-13 19:56:44.447  5235  5235 I com.byteflow.learnffmpeg:     #0 0x74f7ac9458  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-w2WNuKKPLEj7i4_8_Oj3Sw==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x146458)
05-13 19:56:44.448  5235  5235 I com.byteflow.learnffmpeg:     #1 0x74f7ac7920  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-w2WNuKKPLEj7i4_8_Oj3Sw==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x144920)
05-13 19:56:44.448  5235  5235 I com.byteflow.learnffmpeg:     #2 0x74f7ac787c  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-w2WNuKKPLEj7i4_8_Oj3Sw==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x14487c)
......

局部變量的作用域之外使用其指針

//stack-use-after-scope
static int *p;
static void UseAfterScope()
{
    {
        int a = 0;
        p = &a;
    }
    *p = 1111;
    LOGCATE("UseAfterScope *p=%d",*p);
}

ASan 檢測結果（crash log）中出現關鍵字 stack-use-after-scope ：

https://developer.android.com/ndk/guides/asan#cmake05-13 20:01:19.447  5907  5907 I com.byteflow.learnffmpeg: =================================================================
05-13 20:01:19.447  5907  5907 I com.byteflow.learnffmpeg: ==5907==ERROR: AddressSanitizer: stack-use-after-scope on address 0x007ff02279a0 at pc 0x0074f8236438 bp 0x007ff0227970 sp 0x007ff0227968
05-13 20:01:19.448  5907  5907 I com.byteflow.learnffmpeg: WRITE of size 4 at 0x007ff02279a0 thread T0
05-13 20:01:19.462 23334 23334 D Launcher_UnlockAnimationStateMachine: mResetIdleStateRunnable
05-13 20:01:19.464  5907  5907 I com.byteflow.learnffmpeg:     #0 0x74f8236434  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-jx_Xi14rwGHag_VZ9KWXYA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x146434)
05-13 20:01:19.465  5907  5907 I com.byteflow.learnffmpeg:     #1 0x74f8234860  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-jx_Xi14rwGHag_VZ9KWXYA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x144860)
05-13 20:01:19.465  5907  5907 I com.byteflow.learnffmpeg:     #2 0x74f82347bc  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-jx_Xi14rwGHag_VZ9KWXYA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x1447bc)
05-13 20:01:19.465  5907  5907 I com.byteflow.learnffmpeg:     #3 0x74fdabe0a0  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-jx_Xi14rwGHag_VZ9KWXYA==/oat/arm64/base.odex+0xb0a0)
.....

重復釋放指針

//double-free
static void DoubleFree() {
    int *arr = new int[1024];
    arr[0] = 11;
    delete [] arr;
    delete [] arr;
    LOGCATE("UseAfterFree arr[0]=%d",arr[0]);
}

ASan 檢測結果（crash log）中出現關鍵字 double-free ：

05-13 20:02:16.474  6102  6102 I com.byteflow.learnffmpeg: =================================================================
05-13 20:02:16.475  6102  6102 I com.byteflow.learnffmpeg: ==6102==ERROR: AddressSanitizer: attempting double-free on 0x004f0d5a7100 in thread T0:
05-13 20:02:16.492  6102  6102 I com.byteflow.learnffmpeg:     #0 0x74f9f2b7b0  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-kjj44NZxl-eyA06gf3E2MA==/lib/arm64/libclang_rt.asan-aarch64-android.so+0xd57b0)
05-13 20:02:16.492  6102  6102 I com.byteflow.learnffmpeg:     #1 0x74f88cd210  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-kjj44NZxl-eyA06gf3E2MA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x146210)
05-13 20:02:16.492  6102  6102 I com.byteflow.learnffmpeg:     #2 0x74f88cb720  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-kjj44NZxl-eyA06gf3E2MA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x144720)
05-13 20:02:16.492  6102  6102 I com.byteflow.learnffmpeg:     #3 0x74f88cb67c  (/data/app/com.byteflow.learnffmpeg-kjj44NZxl-eyA06gf3E2MA==/lib/arm64/liblearn-ffmpeg.so+0x14467c)
......

ASan 基本上可以覆蓋到常見的內存錯誤問題，還有其他 Case 就不一一展示了，

最后編輯于：2021.05.14 13:13:06

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NDK (C++) 開發中如何使用 ASan 檢測內存越界、溢出等內存錯誤

NDK (C++) 開發中如何使用 ASan 檢測內存越界、溢出等內存錯誤

什么是 ASan

怎么使用 ASan

修改編譯腳本

CMake

NDK-BUILD

拷貝 Asan 庫到 jniLibs 目錄下

ASan 檢測內存錯誤

堆內存溢出

棧內存溢出

使用已釋放的指針

局部變量的作用域之外使用其指針

重復釋放指針

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什么是 ASan

怎么使用 ASan

修改編譯腳本

CMake

NDK-BUILD

拷貝 Asan 庫到 jniLibs 目錄下

ASan 檢測內存錯誤

堆內存溢出

棧內存溢出

使用已釋放的指針

局部變量的作用域之外使用其指針

重復釋放指針

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