如何在 C 中检测/分析内存（堆、指针）读写？答案

【问题标题】：How to instrument/profile memory(heap, pointers) reads and writes in C?如何在 C 中检测/分析内存（堆、指针）读写？
【发布时间】：2015-10-27 16:42:03
【问题描述】：

我知道这可能有点模糊和牵强（抱歉，stackoverflow 警察！）。

有没有办法在没有外力的情况下检测（基本上跟踪）每个指针访问和跟踪读取和写入——一般读取/写入或每次访问的读取/写入数量。如果可以为所有变量完成并区分堆栈和堆变量，则奖励。

一般来说有没有办法包装指针，还是应该通过自定义堆来完成？即使使用自定义堆，我也想不出办法。

最终，我希望看到所述日志的可视化表示，它将向我显示表示为块（字节或倍数）的变量以及在它们上用于读取和写入的热图。

超简单的例子：

int i = 5;
int *j = &i;

printf("%d", *j); /* Log would write *j was accessed for read and read sizeof(int) bytes

尝试以更简洁的方式重新表述：

（如何）在没有外部二进制检测的情况下，我如何拦截（并记录）对 C 中指针的访问？ - 如果我能区分读取和写入并获得指针的名称和读取/写入的大小（以字节为单位），则奖励。

【问题讨论】：

它是特定于实现的：取决于编译器、libc、操作系统等...标准 C99 或 C11 不了解检测或分析。因此，编辑您的问题，通过详细介绍您的 C 实现和代码来改进它
另外，解释一下你为什么这么问......如果没有额外的编辑，我很快就会对这个问题投反对票，因为不清楚，并且可能会因为过于宽泛而投票支持关闭......
我为什么要问？我为什么不呢？此外，它在问题的末尾进行了解释。如果可能，我想记录对所有或选择指针的每次访问并区分读取和写入，并记录读取/写入的数量。实施并不重要，因为我想看看这是可能的任何方式。如果它确实重要，那么 GCC 5.2（OSX、Windows/MinGW 和 Linux）以及它附带的一切都是香草。
我投了反对票（但我正在输入答案），因为您没有编辑您的问题...
我做了，但我不能同时写评论和编辑。

标签： c pointers memory memory-management

【解决方案1】：

我猜（或希望你）你正在使用最近GCC（2015 年 10 月为 5.2）或 Clang/LLVM 编译器（3.7）在 Linux/x86-64 上进行开发。

我也猜想你在跟踪一个顽皮的错误，而不是从纯粹的理论角度提出这个（太宽泛的）问题。

^{（请注意，您的问题实际上没有简单的答案，因为实际上 C 编译器生成的机器代码接近硬件，并且大多数硬件没有像你梦寐以求的）}

当然，编译时包含所有警告和调试信息 (gcc -Wall -Wextra -g)。使用调试器 (gdb)，尤其是与您的问题相关的观察点设施。也可以使用valgrind。另请注意，GDB（最近的版本，如 7.10）可以在 Python（或 Guile）中编写脚本，您可以为 GDB 编写一些脚本来帮助您。

另请注意，最近的 GCC 和 Clang/LLVM 有几种消毒剂。使用一些-fsanitize= debugging options，尤其是address sanitizer 和-fsanitize=address；他们正在检测代码以帮助检测指针访问，因此他们在做你想做的事。当然，检测生成的代码的性能正在下降（取决于清理程序，可能是 10% 或 20% 或 50 倍）。

最后，您甚至可以考虑通过自定义编译器来添加自己的工具，例如使用MELT - 一种高级域特定语言，专为 GCC 的此类定制任务而设计。这将需要几个月的工作，除非您已经熟悉 GCC 内部（然后，只需几周）。您可以在 GCC 中添加一个“优化”通道，它将检测（通过更改 Gimple 代码）您想要的任何访问或存储。

阅读更多关于aspect-oriented programming的信息。

还要注意，如果您的 C 代码已生成，也就是说，如果您是 meta-programming，那么更改 C 代码生成器可能非常相关。阅读有关reflection 和homoiconicity 的更多信息。 Dynamic software updating也和你的问题有关。

还可以查看像 oprofile 这样的分析工具和像 Frama-C 这样的 sound static source analyzers。

您也可以在一些（仪器）emulator（如Qemu、Unisim 等...）中运行您的程序。

您还可以针对MMIX 之类的虚构架构进行编译，并对其模拟器进行检测。

【讨论】：