Linux系列：怎样调试 malloc 的底层源码

一：背景

1. 讲故事

上一篇我们聊过 C# 调用 C 的 malloc 代码来演示heap的内存泄露题目，但要想深入研究得必须把 malloc 的实现库 libc.so 给调试起来，各人都知道在Linux 上 libc 和 Windows 的 Win32 API 是一个层级的，由于 Linux 重度依赖 libc，比较吐槽的是两者各自为政，如果手工编译 libc，轻易搞出很多兼容性题目，这一点真的不如 Windows 的大一统来的痛快，手工编译比较繁琐，用此篇来记载下。
二：手工编译 libc

1. 下载 libc 2.39 源代码

要想知道下载哪个版本的 libc，可以用 ldd 观察现存的 libc 版本，参考如下：

1. root@ubuntu2404:/data# ldd /bin/bash | grep libc
2.         libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x0000737556800000)
3. root@ubuntu2404:/data# /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
4. GNU C Library (Ubuntu GLIBC 2.39-0ubuntu8.4) stable release version 2.39.
5. Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
6. This is free software; see the source for copying conditions.
7. There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A
8. PARTICULAR PURPOSE.
9. Compiled by GNU CC version 13.3.0.
10. libc ABIs: UNIQUE IFUNC ABSOLUTE
11. Minimum supported kernel: 3.2.0
12. For bug reporting instructions, please see:
13. <https://bugs.launchpad.net/ubuntu/+source/glibc/+bugs>.

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从卦象看，当前 libc 的版本是 Ubuntu GLIBC 2.39-0ubuntu8.4，接下来下载 2.39 版本的源代码进行编译即可。

1. root@ubuntu2404:/src# wget http://ftp.gnu.org/gnu/libc/glibc-2.39.tar.gz
2. root@ubuntu2404:/src# tar -xzf glibc-2.39.tar.gz && cd glibc-2.39 && mkdir build && cd build
3. root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ../configure --prefix=/usr --enable-debug=yes
4. root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# make -j$(nproc)
5. root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ./libc.so --version
6. GNU C Library (GNU libc) stable release version 2.39.
7. Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
8. ...

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稍等片刻后，就可以看到源码编译出来的 libc.so ，截图如下：

2. 设置 C 代码

写了一段简朴的 C 代码，参考如下：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
4. int main()
5. {
6.     // getchar();    !!! 先注释掉的，后续放开
7.     void *ptr = malloc(100);
8.     if (ptr == NULL)
9.     {
10.         fprintf(stderr, "malloc failed\n");
11.         return 1;
12.     }
13.     free(ptr);
14.     printf("malloc and free succeeded\n");
15.     getchar();
16.     return 0;
17. }
19. 为了能够加载我的libc库，使用 `LD_PRELOAD` 环境变量指定，本想用 gdb 启动调试的方式执行 main，无奈编译出来的 __vdso_timeDuring 和 kernel 有兼容性问题导致报错，输出如下：
21. ``` C#
22. root@ubuntu2404:/data# gdb ./main
23. Reading symbols from ./main...
24. (gdb) set environment LD_PRELOAD /src/glibc-2.39/build/libc.so
25. (gdb) run
26. Starting program: /data/main
27.      58340:        __vdso_timeDuring startup program terminated with signal SIGSEGV, Segmentation fault.

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一定捣鼓之后，我发现不用 gdb 启动就没有题目，同时内存段也挂上了我的自界说libc，太棒了，输出如下：

1. root@ubuntu2404:/data# LD_PRELOAD=/src/glibc-2.39/build/libc.so ./main
2. malloc and free succeeded
4. root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ps -ef | grep main
5. root       58361    1251  0 13:55 pts/0    00:00:00 ./main
6. root       58366    1869  0 13:56 pts/1    00:00:00 grep --color=auto main
8. root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# cat /proc/58361/maps
9. 60fc4cd29000-60fc4cd2a000 r--p 00000000 08:03 1703942                    /data/main
10. 60fc4cd2a000-60fc4cd2b000 r-xp 00001000 08:03 1703942                    /data/main
11. 60fc4cd2b000-60fc4cd2c000 r--p 00002000 08:03 1703942                    /data/main
12. 60fc4cd2c000-60fc4cd2d000 r--p 00002000 08:03 1703942                    /data/main
13. 60fc4cd2d000-60fc4cd2e000 rw-p 00003000 08:03 1703942                    /data/main
14. 60fc8a96c000-60fc8a98d000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
15. 7add43aaa000-7add43aad000 rw-p 00000000 00:00 0
16. 7add43aad000-7add43ad1000 r--p 00000000 08:03 2915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
17. 7add43ad1000-7add43c21000 r-xp 00024000 08:03 2915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
18. 7add43c21000-7add43c78000 r--p 00174000 08:03 2915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
19. 7add43c78000-7add43c7c000 r--p 001ca000 08:03 2915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
20. 7add43c7c000-7add43c7e000 rw-p 001ce000 08:03 2915675                    /src/glibc-2.39/build/libc.so
21. ...

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这就叫在绝望中寻找希望，既然能运行，那就用 gdb 附加调试吧，只要能研究到 malloc 的底层代码才是终极目的。。。
把 main() 函数入口的 getchar() 给注释掉，方便在 malloc 之前通过 attach 附加，为了能够在 vscode 中操作，新增一个对可执行文件可控的 launch.json，内容如下：

1. {
2.     "configurations": [
3.         {
4.             "name": "C/C++: gcc build and debug active file",
5.             "type": "cppdbg",
6.             "request": "attach",
7.             "program": "${fileDirname}/${fileBasenameNoExtension}",
8.             "processId": "${command:pickProcess}",      // 选择要附加的进程
9.             "stopAtEntry": false,
10.             "setupCommands": [
11.                 {
12.                     "description": "Enable pretty-printing for gdb",
13.                     "text": "-enable-pretty-printing",
14.                     "ignoreFailures": true
15.                 },
16.                 {
17.                     "description": "Set Disassembly Flavor to Intel",
18.                     "text": "-gdb-set disassembly-flavor intel",
19.                     "ignoreFailures": true
20.                 }
21.             ],
22.         }
23.     ],
24.     "version": "2.0.0"
25. }

复制代码

再新增一个 gcc 编译的 task 任务文件 (task.json),内容如下：

1. {
2.     "tasks": [
3.         {
4.             "type": "cppbuild",
5.             "label": "C/C++: gcc build active file",
6.             "command": "/usr/bin/gcc",
7.             "args": [
8.                 "-fdiagnostics-color=always",
9.                 "-g",
10.                 "${file}",
11.                 "-o",
12.                 "${fileDirname}/${fileBasenameNoExtension}"
13.             ],
14.             "options": {
15.                 "cwd": "${fileDirname}"
16.             },
17.             "problemMatcher": [
18.                 "$gcc"
19.             ],
20.             "group": {
21.                 "kind": "build",
22.                 "isDefault": true
23.             },
24.             "detail": "Task generated by Debugger."
25.         }
26.     ],
27.     "version": "2.0.0"
28. }

复制代码

稍微解释一下：

• "processId": "${command:pickProcess}" 表现弹框选择你要附加的历程。
  
• "request": "attach" 使用附加历程的模式
  

在 vscode 中使用 Ctrl+Shift+B 或者 gcc -g main.c -o main 对代码进行构建，接下来执行代码。

1. root@ubuntu2404:/data# LD_PRELOAD=/src/glibc-2.39/build/libc.so ./main
3. root@ubuntu2404:/src/glibc-2.39/build# ps -ef | grep main
4. root       58992    1251  0 14:14 pts/0    00:00:00 ./main
5. root       58999    1869  0 14:16 pts/1    00:00:00 grep --color=auto main

复制代码

点击UI中 Run -> Start Debugging 选择要附加的 pid=58992 ，截图如下：

3. 观察效果

vscode 附加成功后，在 UI 上 Enter 回车过掉 getchar()，单步 F11 调试即可进入 malloc 方法实现，挺有意思的，最后给各人截一张大图：

三：总结

对 Win32 级别的 libc 进行源码调试，有助于我们对书籍中那些malloc的底层理论知识有一个很好的眼见为实，也是给Linux上的.NET高级调试打开了一扇窗！

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