C# 内存泄漏之 Internal 关键词代表什么？

一：背景

1. 背景

前段时间有位朋友咨询说他的程序出现了非托管内存泄漏，说里面有很多的 HEAP_BLOCK 都被标记成了 Internal 状态，而且 size 都很大， 让我帮忙看下怎么回事？ 比如下面这样。

        1cbea000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1cc2c000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1cc6e000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1ccb0000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1ccf2000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1cd34000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1cd76000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1cdb8000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1cdfa000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 
        1ce3c000: 42000 . 42000 [101] - busy (41fe8) Internal 

其实这个涉及到了 NTHeap 的一些基础知识。

二：原理浅析

1. NTHeap 分配架构图

千言万语不及一张图。

从图中可以清晰的看到，当 Heap_Entry 标记了 Internel ，其实是给 前段堆 LFH 做内部存储用的，当然这里的大块内存是按有序的 segment 和 block 切分，相当于堆中堆 。

接下来我们验证下这个说法到底对不对？ 写一个测试程序，让其在 NTHeap 上生成大量的 Internel。

2. 案例演示

首先来一段 C++ 代码，根据 len 参数来分配 char[] 数组大小。

#include "iostream"
#include 

using namespace std;

extern "C"
{
	_declspec(dllexport) int  __stdcall InitData(int len);
}

int __stdcall InitData(int len) {

	char* c = new char[len];

	return 1;
}

熟悉 C++ 的朋友一眼就能看出会存在内存泄露的情况，因为 c 没有进行 delete[] 。

接下来将 InitData 引入到 C# 上，代码如下：

    internal class Program
    {
        [DllImport("Example_16_1_7", CallingConvention = CallingConvention.StdCall)]
        private static extern int InitData(int len);

        static void Main(string[] args)
        {
            var task = Task.Factory.StartNew(() =>
               {
                   for (int i = 0; i < 10000; i++)
                   {
                       InitData(10000);

                       Console.WriteLine($"i={i} 次操作！");
                   }
               });

            Console.ReadLine();
        }
    }

从代码中可以看到，我做了 1w 次的分配，而且 len=1w，即 1wbyte，高频且固定，这完全符合进入 LFH 堆的特性。

为了能够记录 block 是谁分配的，在注册表中配置一个 GlobalFlag 项。

SET ApplicationName=Example_16_1_6.exe

REG DELETE "HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Options\%ApplicationName% " /f

 ECHO 已删除注册项

REG ADD "HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Options\%ApplicationName%" /v GlobalFlag  /t REG_SZ  /d 0x00001000 /f
REG ADD "HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Options\%ApplicationName%" /v StackTraceDatabaseSizeInMb  /t REG_DWORD  /d 0x00000400 /f

ECHO 已启动用户栈跟踪
 
PAUSE 

把程序跑起来，然后抓一个 dump 文件。

三：WinDbg 分析 Internel

1. 内存都去了哪里

0:000> !address -summary

--- Usage Summary ---------------- RgnCount ----------- Total Size -------- %ofBusy %ofTotal
Free                                     70          e1292000 (   3.518 GB)           87.95%
                               138           c42f000 ( 196.184 MB)  39.76%    4.79%
Other                                    11           805d000 ( 128.363 MB)  26.02%    3.13%
Heap                                    832           6f55000 ( 111.332 MB)  22.57%    2.72%
Image                                   280           3061000 (  48.379 MB)   9.81%    1.18%
Stack                                    27            900000 (   9.000 MB)   1.82%    0.22%
TEB                                       9             19000 ( 100.000 kB)   0.02%    0.00%
PEB                                       1              3000 (  12.000 kB)   0.00%    0.00%

--- State Summary ---------------- RgnCount ----------- Total Size -------- %ofBusy %ofTotal
MEM_FREE                                 70          e1292000 (   3.518 GB)           87.95%
MEM_RESERVE                              94          14830000 ( 328.188 MB)  66.52%    8.01%
MEM_COMMIT                             1204           a52e000 ( 165.180 MB)  33.48%    4.03%

0:000> !heap -s

************************************************************************************************************************
                                              NT HEAP STATS BELOW
************************************************************************************************************************
NtGlobalFlag enables following debugging aids for new heaps:
    stack back traces
LFH Key                   : 0x38843509
Termination on corruption : ENABLED
  Heap     Flags   Reserv  Commit  Virt   Free  List   UCR  Virt  Lock  Fast 
                    (k)     (k)    (k)     (k) length      blocks cont. heap 
-----------------------------------------------------------------------------
10600000 08000002  113704 107896 113492   1679    72    11    0      6   LFH
10560000 08001002      60     16     60      3     2     1    0      0      
10a70000 08001002      60     16     60      2     2     1    0      0      
12450000 08001002      60      4     60      0     1     1    0      0      
123b0000 08041002      60      4     60      2     1     1    0      0      
15ef0000 08041002      60      4     60      0     1     1    0      0      
-----------------------------------------------------------------------------

从卦中可知，当前内存都是 Heap 给吃掉了，往细处说就是 10600000 这个进程堆，接下来使用 !heap -h 10600000 把堆上的 segment 和 block 都显示出来。

从图中可以看到，全是这种 Internel 的标记，而且 request size = 41fe8 = 270312 byte= 263k，很显然我并没有做 27w byte 的内存分配，那这些源自于哪里呢？

2. 源自于哪里？

因为 前段堆 相当于堆中堆，所以我们观察下有没有开启LFH，有两种方法。

1. 观察 !heap -s 命令输出的 Fast heap 列是不是带有 LFH ？

2. 观察 HEAP 的 FrontEndHeap 字段是否为 null ？

0:000> dt nt!_HEAP 10600000 
ntdll!_HEAP
   +0x0e4 FrontEndHeap     : 0x10570000 Void
   +0x0e8 FrontHeapLockCount : 0
   ...

接下来就是怎么把 FrontEndHeap 中的信息给导出来？ 你完全可以根据这个首地址一步步的导出，也可以使用强大的 heap 扩展命令 -hl , 这里的 l 就是 LFH 的意思。

0:000> !heap -hl 10600000
        LFH data region at 193a0018 (subsegment 106e4a30):
            193a0038: 02808 - busy (2734)
            193a2840: 02808 - busy (2734)
            193a5048: 02808 - busy (2734)
            193a7850: 02808 - busy (2734)
            193aa058: 02808 - busy (2734)
            193ac860: 02808 - busy (2734)
            193af068: 02808 - busy (2734)
            193b1870: 02808 - busy (2734)
            ...
        LFH data region at 1cf02018 (subsegment 10695888):
            1cf02038: 02808 - busy (2734)
            1cf04840: 02808 - busy (2734)
            1cf07048: 02808 - busy (2734)
            1cf09850: 02808 - busy (2734)
            1cf0c058: 02808 - busy (2734)
            ...

可以看到有大量的 alloc = 02808 = 10248 byte 大小的 block ，而且还有很多的 subsegment 字样，也说明了 Internel 的组成结构，由于记录了 ust，我们就可以使用 !heap -p -a 把这个block的调用栈给找出来。

0:000> !heap -p -a 193a0038
    address 193a0038 found in
    _HEAP @ 10600000
      HEAP_ENTRY Size Prev Flags    UserPtr UserSize - state
        193a0038 0501 0000  [00]   193a0050    02734 - (busy)
        76f377a4 ntdll!RtlpCallInterceptRoutine+0x00000026
        76ef61ef ntdll!RtlpAllocateHeapInternal+0x00050ddf
        76ea53fe ntdll!RtlAllocateHeap+0x0000003e
        7b81bf35 ucrtbased!heap_alloc_dbg_internal+0x00000195
        7b81bd46 ucrtbased!heap_alloc_dbg+0x00000036
        7b81e4ba ucrtbased!_malloc_dbg+0x0000001a
        7b81edd4 ucrtbased!malloc+0x00000014
        7b7621fd Example_16_1_7!InitData+0x000010ea
        7b7618cc Example_16_1_7!InitData+0x000007b9
        7b76185e Example_16_1_7!InitData+0x0000074b
        ...

三：总结

本篇主要是解析了 Internel 标记的可能来源地，没有对 LFH 做进一步的讲解，更多的 NtHeap 知识可以参考 《深入解析 Windows 操作系统》 一书。