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Linux系列:如何用perf跟踪.NET程序的mmap泄露

ahcoder 2025-05-30 12:11 5 浏览

一：背景

1. 讲故事

如何跟踪.NET程序的mmap泄露，这个问题困扰了我差不多一年的时间，即使在官方的github库中也找不到切实可行的方案，更多海外大佬只是推荐valgrind这款工具，但这款工具底层原理是利用模拟器，它的地址都是虚拟出来的，你无法对valgrind 监控的程序抓dump，并且valgrind显示的调用栈无法映射出.NET函数以及地址，这几天我仔仔细细的研究这个问题，结合大模型的一些帮助，算是找到了一个相对可行的方案。

二：mmap 导致的内存泄露

1. 一个测试案例

为了方便讲述，我们通过 C 调用 mmap 方法分配256个 4M 的内存块，即总计 1G 的内存泄露，参考代码如下：


#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

#define BLOCK_SIZE (4096 * 1024) // 每个块 4096KB (4MB)
#define TOTAL_SIZE (1 * 1024 * 1024 * 1024) // 总计 1GB
#define BLOCKS (TOTAL_SIZE / BLOCK_SIZE) // 计算需要的块数

void mmap_allocation() {
 uint8_t* blocks[BLOCKS]; // 存储每个块的指针

 // 使用 mmap 分配 1GB 内存，分成多个 4MB 块
 for (size_t i = 0; i < BLOCKS; i++) {
 blocks[i] = (uint8_t*)mmap(, BLOCK_SIZE,
 PROT_READ | PROT_WRITE,
 MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS,
 -1, 0);

 if (blocks[i] == MAP_FAILED) {
 perror("mmap 失败");
 return;
 }

 // 确保每个块都被实际占用
 memset(blocks[i], 20, BLOCK_SIZE);
 }

 printf("已经使用 mmap 分配 1GB 内存（分成 %d 个 %dKB 块）！\n", 
 BLOCKS, BLOCK_SIZE/1024);
 printf("程序将暂停 10 秒，可以使用 top/htop 查看内存使用情况...\n");
 sleep(10);
}

int main() {
 mmap_allocation();
 return0;
}

为了能够让 C# 调用，我们将这个 c 编译成 so 库，即 windows 中的 dll 文件，参考命令如下：


root@ubuntu2404:/data2/c# gcc -shared -o Example_18_1_5.so -fPIC -g -O0 Example_18_1_5.c
root@ubuntu2404:/data2/c# ls -lh
total 24K
-rw-r--r-- 1 root root 1.2K May 7 10:47 Example_18_1_5.c
-rwxr-xr-x 1 root root 18K May 7 10:47 Example_18_1_5.so

接下来创建一个名为 MyConsoleApp 的 Console控制台项目。


root@ubuntu2404:/data2# dotnet new console -n MyConsoleApp --framework net8.0 --use-program-main
The template "Console App" was created successfully.

Processing post-creation actions...
Restoring /data2/MyConsoleApp/MyConsoleApp.csproj:
 Determining projects to restore...
 Restored /data2/MyConsoleApp/MyConsoleApp.csproj (in 1.73 sec).
Restore succeeded.

root@ubuntu2404:/data2# cd MyConsoleApp
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# dotnet run
Hello, World!

项目创建好之后，接下来就可以调用 Example_18_1_5.so 中的mmap_allocation方法了，在真正调用之前故意用Console.ReadLine();拦截，主要是方便用 perf 去介入监控，最后不要忘了将生成好的 Example_18_1_5.so文件丢到 bin 目录下，参考代码如下：


using System.Runtime.InteropServices;

namespaceMyConsoleApp;

classProgram
{
 [DllImport("Example_18_1_5.so", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
 public static extern void mmap_allocation();

 static void Main(string[] args)
 {
 MyTest();

 for (int i = 0; i < int.MaxValue; i++)
 {
 Console.WriteLine($"{DateTime.Now} ：i={i} 执行完毕，自我轮询中...");

 Thread.Sleep(1000);
 }

 Console.ReadLine();
 }

 static void MyTest()
 {
 Console.WriteLine("MyTest 已执行，准备执行 mmap_allocation 方法");
 Console.ReadLine();
 mmap_allocation();
 Console.WriteLine("MyTest 已执行，准备执行 mmap_allocation 方法");
 }
}

2. 使用 perf 监控mmap事件

Linux 上的 perf 你可以简单的理解成 Windows 上的 perfview，前者是基于 perf_events 子系统，后者是基于 etw事件，这里就不做具体介绍了，这里我们用它监控 mmap 的调用，因为拿到调用线程栈之后，就可以知道到底是谁导致的泄露。

为了能够让 perf 识别到 .NET 的托管栈，微软做了一些特别支持，即开启 export DOTNET_PerfMapEnabled=1 环境变量，截图如下：

更多资料参考：https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/core/runtime-config/debugging-profiling

  1. 在 终端1 上启动 C# 程序。

root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp/bin/Debug/net8.0# export DOTNET_PerfMapEnabled=1
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp/bin/Debug/net8.0# dotnet MyConsoleApp.dll
MyTest 已执行，准备执行 mmap_allocation 方法

  1. 终端2 上开启 perf 对dontet程序的mmap进行跟踪。

root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# ps -ef | grep Console
root 3074 2197 0 11:14 pts/1 00:00:00 dotnet MyConsoleApp.dll
root 3241 3106 0 11:56 pts/3 00:00:00 grep --color=auto Console
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# perf record -p 3074 -g -e syscalls:sys_enter_mmap

启动跟踪之后记得在 终端1 上按下Enter回车让程序继续执行，当跟踪差不多（大量的内存泄露）的时候，我们在 终端2 上按下 Ctrl+C 停止跟踪，截图如下：


root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# perf record -p 3074 -g -e syscalls:sys_enter_mmap
^C[ perf record: Woken up 1 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 0.139 MB perf.data (333 samples) ]

从输出看当前的 perf.data 有 333 个样本，0.13M 的大小，由于在 linux 上分析不方便，而且又是二进制的，所以我们将 perf.data 转成 perf.txt 然后传输到 windows 上分析，参考命令如下：


root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# ls
MyConsoleApp.csproj Program.cs bin obj perf.data
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# perf script > perf.txt
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# sz perf.txt

经过仔细的分析 perf.txt 的 mmap 调用栈，很快就会发现有人调了 256 次 4M 的 mmap 分配吃掉了绝大部分内存，那个上层的 memfd:doublemapper 就是 JIT 代码所存放的内存临时文件，由于有 DOTNET_PerfMapEnabled=1 的加持，可以看到 [unknown] 前面的方法返回地址，截图如下：

3. 这些地址对应的 C# 方法是什么

本来我以为 JIT很给力，在 perf 生成的 /tmp/perf-3074.map 文件中弄好了符号信息，结果搜了下没有对应的方法名，比较尴尬。


root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# grep "7f42f3f11967" /tmp/perf-3074.map
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# grep "7f42f3f11a90" /tmp/perf-3074.map
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp#

那怎么办呢？只能抓dump啦，这也是我非常擅长的，可以用 dotnet-dump抓一个，然后使用 !ip2md 观察便知。


root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# dotnet-dump collect -p 3074

Writing full to /data2/MyConsoleApp/core_20250507_113516
Complete
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# ls -lh 
total 1.2G
-rw-r--r-- 1 root root 242 May 710:50 MyConsoleApp.csproj
-rw-r--r-- 1 root root 769 May 711:05 Program.cs
drwxr-xr-x 3 root root 4.0K May 710:51 bin
-rw------- 1 root root 1.2G May 711:35 core_20250507_113516
drwxr-xr-x 3 root root 4.0K May 710:51 obj
-rw------- 1 root root 164K May 711:16 perf.data
-rw-r--r-- 1 root root 874K May 711:21 perf.txt
root@ubuntu2404:/data2/MyConsoleApp# dotnet-dump analyze core_20250507_113516
Loading core dump: core_20250507_113516 ...
Ready to process analysis commands. Type 'help' to list available commands or 'help [command]' to get detailed help on a command.
Type 'quit' or 'exit' to exit the session.
> ip2md 7f42f3f11967 
MethodDesc: 00007f42f3f9f320
Method Name: MyConsoleApp.Program.Main(System.String[])
Class: 00007f42f3fbb648
MethodTable: 00007f42f3f9f368
mdToken: 0000000006000002
Module: 00007f42f3f9cec8
IsJitted: yes
Current CodeAddr: 00007f42f3f11920
Version History:
 ILCodeVersion: 0000000000000000
 ReJIT ID: 0
 IL Addr: 00007f437307e250
 CodeAddr: 00007f42f3f11920 (MinOptJitted)
 NativeCodeVersion: 0000000000000000
Source file: /data2/MyConsoleApp/Program.cs @ 12
> ip2md 7f42f3f11a90 
MethodDesc: 00007f42f3f9f338
Method Name: MyConsoleApp.Program.MyTest()
Class: 00007f42f3fbb648
MethodTable: 00007f42f3f9f368
mdToken: 0000000006000003
Module: 00007f42f3f9cec8
IsJitted: yes
Current CodeAddr: 00007f42f3f11a50
Version History:
 ILCodeVersion: 0000000000000000
 ReJIT ID: 0
 IL Addr: 00007f437307e2d2
 CodeAddr: 00007f42f3f11a50 (MinOptJitted)
 NativeCodeVersion: 0000000000000000
Source file: /data2/MyConsoleApp/Program.cs @ 28
> ip2md 7f42f3f13557 
MethodDesc: 00007f42f42f42b8
Method Name: ILStubClass.IL_STUB_PInvoke()
Class: 00007f42f42f41e0
MethodTable: 00007f42f42f4248
mdToken: 0000000006000000
Module: 00007f42f3f9cec8
IsJitted: yes
Current CodeAddr: 00007f42f3f134d0
Version History:
 ILCodeVersion: 0000000000000000
 ReJIT ID: 0
 IL Addr: 0000000000000000
 CodeAddr: 00007f42f3f134d0 (MinOptJitted)
 NativeCodeVersion: 0000000000000000
>

从 dotnet-dump 给的输出看，可以清楚的看到调用关系为： Main -> MyTest -> ILStubClass.IL_STUB_PInvoke -> mmap_allocation -> mmap 。

至此真相大白于天下。

三：总结

这类问题的泄露真的费了我不少心思，曾经让我纠结过，迷茫过，我也捣鼓过 strace，最终都无法找出栈上的托管函数，真的，目前 .NET 在 Linux 调试生态上还是很弱，好无奈，这篇文章我相信弥补了国内，甚至国外在这一块领域的空白，也算是这一年来对自己的一个交代。

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