如何追踪指定指针指向的堆内存块的所有访问操作？

一、需求说明 #

需要精确记录堆中指定指针指向的内存块的所有访问操作，输出格式要求为：

w 4b 0x12345
r 4b 0x12346
r 8b 0x12348
...

其中每一行依次表示访问类型（读/写）、访问字节数、访问地址。性能损耗可接受，核心要求是获取完整的访问地址序列。

示例代码（修正原代码错误后）：

#define BLK 1024
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int monfun(int *p){
    int t;
    // 修正循环边界：BLK是字节数，需按int字节数计算循环次数
    for(int i=0; i<BLK/sizeof(int); i++){
        t=p[i];
    }
    return t;
}

int main(void){
    int *p=(int*)malloc(BLK);
    // 打印目标内存块的地址范围，用于后续日志过滤
    printf("Target block: %p to %p\n", p, (char*)p + BLK);
    monfun(p);
    free(p);
    return 0;
}

二、已尝试方案局限 #

使用Valgrind的massif工具仅能获取内存访问的计数器统计结果，无法提取具体的访问地址序列，无法满足需求。

三、推荐实现方案 #

方案1：Valgrind Memcheck（快速实现，无需额外开发） #

Valgrind的Memcheck工具可追踪所有内存访问，通过日志过滤即可提取目标块的访问记录：

1. 编译程序：保留调试信息（可选，便于定位访问来源）

   gcc -g -o mem_monitor mem_monitor.c
   

2. 生成内存访问日志

   valgrind --tool=memcheck --log-file=memtrace.log --trace-memory=full ./mem_monitor
   

   执行后终端会输出目标块的地址范围（如Target block: 0x5204040 to 0x5204440），同时生成memtrace.log文件，包含所有内存访问的详细记录。
3. 过滤并格式化日志
   日志中每条访问记录格式类似：

   ==12345== Memcheck: read of size 4 at 0x5204040 by thread 1
   ==12345==    at 0x109146: monfun (mem_monitor.c:8)
   ==12345==    by 0x10917A: main (mem_monitor.c:16)
   

   可通过Python、awk等脚本过滤出地址在目标范围内的记录，转换为需求格式：
   • 将read转为r、write转为w
   • 提取访问大小并添加b后缀
   • 提取访问地址并格式化

方案2：Intel Pin（精确可控，自定义输出） #

Intel Pin是动态插桩工具，可精确拦截每一条内存访问指令，通过自定义回调直接生成符合要求的输出：

1. 编写Pin工具核心代码

   #include "pin.H"
   #include <fstream>
   #include <iostream>
   
   std::ofstream traceFile;
   ADDRINT targetStart, targetEnd;
   
   // 内存访问记录回调
   VOID RecordMemAccess(VOID *addr, UINT32 size, BOOL isWrite) {
       ADDRINT addrInt = reinterpret_cast<ADDRINT>(addr);
       // 仅记录目标块内的访问
       if (addrInt >= targetStart && addrInt + size <= targetEnd) {
           traceFile << (isWrite ? "w" : "r") << " " << size << "b 0x" << std::hex << addrInt << std::dec << std::endl;
       }
   }
   
   // 插桩内存读指令
   VOID InstrumentMemRead(INS ins, VOID *v) {
       INS_InsertCall(ins, IPOINT_BEFORE, (AFUNPTR)RecordMemAccess,
                      IARG_MEMORYREAD_EA, IARG_MEMORYREAD_SIZE, IARG_BOOL, FALSE, IARG_END);
   }
   
   // 插桩内存写指令
   VOID InstrumentMemWrite(INS ins, VOID *v) {
       INS_InsertCall(ins, IPOINT_BEFORE, (AFUNPTR)RecordMemAccess,
                      IARG_MEMORYWRITE_EA, IARG_MEMORYWRITE_SIZE, IARG_BOOL, TRUE, IARG_END);
   }
   
   // 参数说明
   INT32 Usage() {
       std::cerr << "Usage: pin -t <tool.so> -- ./program <target_start> <target_end>" << std::endl;
       return -1;
   }
   
   int main(int argc, char *argv[]) {
       if (PIN_Init(argc, argv)) return Usage();
   
       // 从参数获取目标块地址范围
       targetStart = strtoul(argv[argc-2], NULL, 16);
       targetEnd = strtoul(argv[argc-1], NULL, 16);
   
       traceFile.open("mem_access_trace.log");
       if (!traceFile.is_open()) {
           std::cerr << "Failed to open trace file" << std::endl;
           return -1;
       }
   
       // 注册插桩回调
       INS_AddInstrumentFunction(InstrumentMemRead, NULL);
       INS_AddInstrumentFunction(InstrumentMemWrite, NULL);
   
       PIN_StartProgram();
       return 0;
   }
   

2. 编译并运行
   参考Intel Pin官方文档完成工具编译，之后执行：

   pin -t ./memtrace.so -- ./mem_monitor 0x5204040 0x5204440
   

   执行后生成的mem_access_trace.log直接符合需求格式。

其他工具对比 #

• radare2：适合逆向分析场景，需手动设置断点和过滤，操作繁琐。
• qemu-mtrace：基于QEMU的内存追踪工具，记录所有访问后需额外脚本过滤目标块，灵活性不如Pin。
• Valgrind Tracegrind：旧版本工具，新版本Valgrind已停止维护，不推荐使用。

总结 #

• 追求快速实现选Valgrind Memcheck，通过日志过滤即可完成需求；
• 需要精确自定义输出选Intel Pin，可直接生成符合格式的访问记录。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者onlycparra