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AddressSanitizer 内存检测

C和C++是非常不安全且容易出错的编程语言，Address Sanitizer是由Google开发的一种工具，用于检测内存访问错误，如使用后释放（use-after-free）和内存泄漏。它已集成到GCC版本>= 4.8中，可用于C和C++代码。Address Sanitizer使用运行时插桩来跟踪内存分配，这意味着您必须使用AddressSanitizer构建代码，以充分利用其功能。

• Use after free (dangling pointer dereference)
• Heap buffer overflow
• Stack buffer overflow
• Global buffer overflow
• Use after return
• Use after scope
• Initialization order bugs
• Memory leaks

本文将会以上面8种场景来介绍内存检测工具AddressSanitizer。

1.Use after free

以下面代码为例。首先，通过new关键字分配了一个整数的内存空间，并将其地址赋给指针 ptr。然后，使用 delete 关键字释放了这块内存。但是，在释放后，程序仍然尝试通过指针 ptr 访问已经释放的内存，并将值 10 赋给该内存位置，这就是使用后释放错误。

#include <iostream>

int main() {
  int* ptr = new int;
  delete ptr;
  *ptr = 10;  // Use after free
  return 0;
}

在编译时添加下面选项。

-fsanitize=address

运行生成的bin文件，得到如下结果。

2.heap buffer overflow

首先，通过 new 关键字在堆上分配了一个包含两个整数的数组，并将数组的起始地址赋给指针 arr。然后，程序试图将值 10 存储在数组的第三个位置（索引为 2），这超出了数组的有效范围，导致堆缓冲区溢出错误。

#include <iostream>

int main() {
  int* arr = new int[2];
  arr[2] = 10;  // Heap buffer overflow
  delete[] arr;
  return 0;
}

同上面用法：

g++-13 heap_buffer_overflow.cc  -Wall -g -fsanitize=address 

然后：

./a.out

得到下面检测结果。

3.stack buffer overflow

在 vulnerableFunction 函数中，定义了一个包含 8 个字符的字符数组 buffer。然后，使用 std::cin 从标准输入读取数据存储到 buffer 中，但没有限制输入的大小。如果输入的字符数超过了 buffer 的大小，就会发生栈缓冲区溢出错误。

void vulnerableFunction() {
  char buffer[8];
  std::cin >> buffer;  // Stack buffer overflow
  std::cout << "You entered: " << buffer << std::endl;
}

用法同上。

4.global buffer overflow

全局缓冲区（buffer 数组）在程序的全局范围内定义，而没有受到足够的输入大小限制。如果输入的字符数超过了缓冲区的大小，就会发生全局缓冲区溢出错误。与栈缓冲区溢出类似，全局缓冲区溢出可能导致程序的不稳定性和安全性问题。

#include <iostream>

char buffer[8];

int main() {
    std::cin >> buffer; // 全局缓冲区溢出错误
    std::cout << "You entered: " << buffer << std::endl;
    return 0;
}

用法同上，得到：

5.use after return

在函数 f 中，局部变量 i 的地址被返回，但在 main 函数中，尝试通过返回的指针访问已经被销毁的局部变量。当出现这种场景是，可以对bin文件进行检测，设置ASAN_OPTIONS=detect_stack_use_after_return=1。

g++-13 stack_use_after_return.cc -Wall -g -fsanitize=address
ASAN_OPTIONS=detect_stack_use_after_return=1 ./a.out

代码：

#include <iostream>

int *f() {
  int i = 42;
  int *p = &i;
  return p;
}

int main() { return *f(); }

我们便会得到：

6.use after scope

将局部变量 x 的地址赋给指针 p，然而，在超出该内部作用域后，尝试通过指针 p 访问已经超出范围的局部变量 x，导致范围外使用错误。这也是未定义行为。

#include <iostream>
int main() {
  int* p = 0;
  {
    int x = 0;
    p = &x;
  }
  *p = 5;
  return 0;
}

编译与运行：

g++-13 stack_use_after_scope.cc -Wall -g -fsanitize=address
ASAN_OPTIONS=detect_stack_use_after_scope=0  ./a.out 

实测clang++可以，g++无法检测。

7.Initialization order bugs

在两个不同的源文件中，存在全局变量 a 的初始化，但初始化的顺序不确定。在 init_order_b.cc 文件中，尝试使用变量 a 的值，但由于初始化顺序不一致，可能导致未定义的行为。

代码如下：

// init_order_a.cc
int duplicate(int n) { return n * 2; }
auto a = duplicate(2);

// init_order_b.cc
#include <iostream>

extern int a;
auto b = a;  

int main() {
  std::cout << b << std::endl;
  return 0;
}

当我们编写这样的代码时，其结果是不确定的，可能是4也可能是0，取决于初始化的顺序。

例如：

clang++ init_order_a.cc init_order_b.cc  -Wall -g -fsanitize=address

这样输出是4，而先编译b，后编译a，得到0。

clang++ init_order_b.cc init_order_a.cc  -Wall -g -fsanitize=address

当出现这种问题时，我们可以使用AddressSanitizer检测初始化顺序。

ASAN_OPTIONS=check_initialization_order=true ./a.out 

8.memory leak

通过 new 关键字动态分配了一个整数的内存，但在程序结束前未使用 delete 关键字释放这块内存，导致内存泄漏。

#include <iostream>

int main() {
  int* ptr = new int;
  // Missing delete ptr; // Memory leak
  return 0;
}

设置ASAN_OPTIONS=detect_leaks=1。

ASAN_OPTIONS=detect_leaks=1 ./a.out