Android ASan 内存错误检测

一、功能背景

Native开发时，无法保证内存的安全性，开发时的不规范写法或无心之过可能导致内存相关的崩溃问题，但崩溃堆栈往往又不是第一案发现场，线上采集的minidump信息也十分有限，这使得Native代码中的内存错误很难排查。 为了解决这些影响程序稳定性的内存问题，Bugly提供线上ASan内存错误检测能力，支持检测在堆内存中分配、释放和使用时导致的基本错误。

Bugly提供的内存错误检测工具原理基于GWP-ASan，是一种基于采样内存分配的轻量级内存错误检测工具，性能开销小且不需要指令插桩和重新编译，适用于线上场景。

GWP-ASan

Google官方提供GWP-ASan原生内存分配器功能，用于调试和减少内存错误，支持在tombstone中提供ASan内存错误崩溃信息，仅支持Android 11（API 级别30）以上的系统，且不支持采样及参数控制。 详情可参考 Google Android GWP-ASan。

在使用前，需要先简单了解Bugly ASan内存错误检测工具的原理。

通过初始化接口和配置开启功能后，Bugly ASan会随机拦截堆内存分配操作，并将从指定的ASan Memory Pool中返回可用的内存地址给分配操作。ASan Memory Pool中的内存通常以页为单位连续排列，主要由两种类型的页交替间隔组成。红色 部分的内存页Guard Page为不可读写的页，绿色 部分的内存页Slot Page为可读写的页，用于内存的分配，如下图所示。

在内存分配事件采样命中时，会从指定的ASan Memory Pool中寻找可用的Slot Page进行内存分配，实际分配空间通常都小于一页，因此分配的内存会随机进行左右对齐。当分配内存左对齐时，可用于检测 Underflow 内存问题，访问Underflow地址时是不可访问区域，会触发SIGSEGV错误。同理，当分配内存右对齐时，可用于检测 Overflow 内存问题。

当对ASan分配内存进行释放后，会将所在Slot Page区域一段时间内标记为不可读写（标记时间取决于空余可读写Slot Page数量，一定时间后空余Slot Page数量不多则会重新将不可读写区域标记回可读写），如果再对相同的区域进行内存释放操作时，会触发 Double free 问题。如果对已经释放内存的区域进行写操作时，会触发 Use after free 问题。

由于内存的分配和对齐方式都是随机采样的，因此需要足够多的测试机器来检测对应的问题。

二、功能开启

Bugly ASan能力需要使用 4.4.3.x 及以上版本SDK（版本灰度中，详询Bugly小助手），接入方式与Bugly其他性能模块无差异，可以采用SDK端和portal端共同控制的方式。在接口初始化后，并且配置了 sample_ratio 采样率命中了当前设备，Bugly ASan能力才会开启，仅初始化接口或仅修改采样配置，不会开启功能。

1. 初始化接口

开启Bugly ASan能力需在接口中开启对应功能项。

// 开启Bugly ASan内存错误检测能力
RMonitor.startMonitors(MonitorName.ASAN);

通过接口初始化后，需参考配置指南，修改功能的采样率 sample_ratio 来配置功能开启。

2. 开启成功日志

当前设备被采样命中后，可以看到以下初始化日志。

06-11 21:03:29.182 12351 12397 I Bugly_Asan_Monitor: prepare to start addressSanitizer, local sample success!
06-11 21:03:30.162 12351 12397 D Bugly_Asan_Monitor: start addressSanitizer success!

重要提醒

由于ASan功能会对系统内存分配操作进行hook，与 FD触顶 监控和 Native内存触顶 监控不建议同时开启，因此当同时开启这几项功能时，会在本地进行二次的开启采样，如未采样到ASan功能时，上面的日志会打印开启失败。如需保证ASan的开启率，建议关闭或降低 FD触顶 监控和 Native内存触顶 监控的采样率。

三、配置指南

在portal设置 -> SDK配置中，开启ASan内存检测能力。其中对应的配置项说明如下。

监控项	配置项	配置参数	取值说明
ASan内存错误检测	"asan"	"sample_ratio"	设备采样率，取值[0,1]，1表示全部打开，0表示全部关闭，其他表示按指定概率抽样打开
ASan内存错误检测	"asan"	"slot_size"	可分配内存Slot Page大小，单位KB，越大所需内存开销越大，建议使用默认值
ASan内存错误检测	"asan"	"slot_count"	可分配内存Slot Page数量，数量越多会有更多的内存用于内存错误检测，内存开销越大，建议使用默认值
ASan内存错误检测	"asan"	"max_sample_gap_count"	循环采样随机数的最大值，值越大内存分配时采样命中的概率越低
ASan内存错误检测	"asan"	"left_side_align_percentage"	在ASan Memory Pool中内存分配时左对齐的概率，取值[0,100]，值越小越易于检测Overflow问题，反之越容易检测Underflow问题
ASan内存错误检测	"asan"	"right_side_perfect_align"	在ASan Memory Pool中内存分配右对齐时是否不按页对齐，若不按页对齐更容易检测出Overflow问题，但也可能带来未知的crash风险
ASan内存错误检测	"asan"	"ignore_overlapped_reading"	是否忽略重读类型的ASan错误
ASan内存错误检测	"asan"	"target_so_patterns"	需要检测的SO文件，若为空默认检测全部SO，支持正则表达式设置，当内存问题能定位具体SO时，建议设置该值，可以减少稳定性问题
ASan内存错误检测	"asan"	"ignore_so_patterns"	需要忽略的SO文件，若不为空默认不忽略任何SO，支持正则表达式设置

四、功能使用

1. ASan 错误异常触发

在开启Bugly ASan内存错误检测能力后，当堆内存错误发生且被检测到时，会 触发SIGSEGV异常，直接Crash退出程序，因此内存错误的表现就是一个Native Crash异常。

提醒

如堆内存错误错误发生，但未开启Bugly ASan内存错误检测，或未被检测到时，可能并不会触发SIGSEGV异常，但可能后续会导致其他不可预估的异常，且难以定位解析。

ASan错误类型支持在portal上展示及筛选，可以通过筛选 ASan类型 快速定位出ASan模块触发的异常问题。

在触发的Native Crash异常中，Crash Error Message信息和个例详情中会指明异常来自ASan内存错误检测，并标识出错误的类型，展示效果如下。

Crash异常的堆栈即为发生内存错误的第一现场。对于不同类型的问题，栈顶操作分别表示以下含义：

• Overflow: 栈顶表示首次访问内存上溢地址时执行的操作。
• Underflow: 栈顶表示首次访问内存下溢地址时执行的操作。
• Use after free: 栈顶表示首次访问被释放内存地址时执行的操作。
• Double free: 栈顶表示首次重复释放已释放内存地址时执行的操作。

2. ASan 附件信息

在ASan内存错误触发的SIGSEGV异常中，会携带错误内存的分配及释放信息，可以在个例详情中 附件 -> asan_info.zip 中找到对应的附件，如下图所示。

提醒

1. ASan附件信息在进程二次启动时进行上报，因此当没有看到对应附件时，可能需要重启应用触发上报。
2. 附件上报存在5min左右的处理延迟，重启后，需等待5min左右再才能看到 asan_info.zip 附件。

ASan附件主要包含以下信息，错误类型、触发的地址、触发的进程及线程、错误内存的释放线程及堆栈（如未释放则没有释放堆栈）、错误内存的分配线程及堆栈等。

释放及分配堆栈支持附件直接翻译，点击附件后即可查看翻译后的堆栈（需上传对应SO的符号表），翻译后堆栈展示如下。

五、注意事项

开启Bugly ASan内存检测功能需关注以下事项。

重要提醒

1. 开启ASan内存错误检测后，当触发错误被检测到会直接触发Crash异常，不管是否对当前App运行已经造成影响。
2. 如在标记为ASan内存错误的异常问题中出现bugly相关堆栈，如 TriggerIssue 等关键字时，并不是bugly导致异常，而是由bugly主动进行异常触发上报内存错误问题。
3. ASan内存错误检测功能会对内存分配操作进行hook拦截，如命中采样会直接从ASan内存池中返回可用内存地址，并不会回调原有内存分配操作。因此，如业务有自行对内存分配操作执行hook操作时，需评估hook冲突问题，或通过配置避免在有业务hook内存分配的SO中开启ASan内存错误检测。
4. 开启ASan内存错误检测能力，会通过PLT hook方式修改对应SO中的内存分配实现，不同业务之间环境复杂，建议优先测试环境使用或线上小规模灰度使用。同时，也建议在配置中指定 target_so_patterns，减少对SO的hook操作，提高稳定性。

附、内存错误简单示例

Overflow:

ptr = (char*) malloc(16);
ptr[20] = '\0';

Underflow:

ptr = (char*) malloc(16);
ptr[-5] = '\0';

Use after free:

ptr = (char*) malloc(16);
snprintf(ptr, 16, "test");
free(ptr);
snprintf(ptr, 16, "test");

Double free:

ptr = (char*) malloc(16);
snprintf(ptr, 16, "test");
free(ptr);
free(ptr);