WAMR项目中多线程内存访问越界问题的分析与解决

问题背景

在Wasm Micro Runtime (WAMR)项目中，开发者在使用多线程功能时遇到了一个棘手的问题：当Wasm应用中创建多个线程并频繁进行内存分配/释放操作时，系统会随机出现"out of bounds memory access"错误。这个问题特别容易在以下场景触发：

1. 主线程创建两个工作线程（一个HTTP服务器线程和一个WebSocket客户端线程）
2. 线程中使用了jsoncpp库进行JSON数据解析
3. 频繁调用wasm_runtime_module_malloc和wasm_runtime_module_free函数

问题现象

错误表现为随机出现的越界内存访问，通常在正常运行几次或十几次后发生。通过调试发现：

• 单纯在主线程中循环调用malloc/free 6000次不会崩溃
• 当工作线程收到数据并进行JSON解析时必定崩溃
• 如果只是简单打印日志而不进行JSON解析则不会崩溃

根本原因分析

经过深入排查，发现问题的根源在于内存分配机制的线程安全性问题：

1. WASI SDK的dlmalloc问题：默认情况下，WASI SDK中的libc.a包含了dlmalloc.o，这个内存分配器在多线程环境下存在线程安全问题。

2. 两种线程模型冲突：项目中同时启用了WAMR的lib-pthread和WASI线程支持（DWAMR_BUILD_LIB_WASI_THREADS=1），导致线程管理混乱。

3. 堆栈大小限制：默认的线程堆栈大小可能不足，特别是在进行复杂操作（如JSON解析）时。

解决方案

经过多次试验，最终确定了以下解决方案：

1. 移除dlmalloc.o

从WASI SDK的libc.a中移除dlmalloc.o，强制使用WAMR的内存分配器：

ar d libc.a dlmalloc.o

2. 调整编译选项

修改CMake配置，禁用WASI线程支持，仅使用WAMR的lib-pthread：

-DWAMR_BUILD_LIB_PTHREAD=1 
-DWAMR_BUILD_LIB_WASI_THREADS=0

3. 增加堆栈大小

在链接选项中增加线程堆栈大小：

LINKER:-zstack-size=20971520

4. 设置最大线程数

在运行时设置合理的最大线程数：

wasm_runtime_set_max_thread_num(4);

5. 导出必要符号

确保正确导出Wasm构造函数：

LINKER:--export=__wasm_call_ctors

并在调用init()前先调用它：

wasm_function_inst_t call_ctors_func = wasm_runtime_lookup(module_inst, "__wasm_call_ctors");
wasm_runtime_call_wasm(exec_env, call_ctors_func, 0, NULL);

技术要点总结

1. 线程模型选择：WAMR提供了两种线程实现方式 - lib-pthread和WASI线程。在大多数情况下，推荐使用lib-pthread，因为它更成熟稳定。

2. 内存分配安全：在多线程环境中，必须确保内存分配器是线程安全的。WAMR的内存分配器经过专门优化，适合多线程场景。

3. 资源限制：Wasm应用的线程堆栈和内存限制需要根据实际需求合理设置，特别是当应用需要进行复杂操作（如JSON解析）时。

4. 初始化顺序：C++应用的全局对象初始化需要通过__wasm_call_ctors完成，必须在主逻辑前调用。

最佳实践建议

1. 对于多线程Wasm应用，建议：

   • 使用WAMR的lib-pthread而非WASI线程
   • 移除WASI SDK中的dlmalloc.o
   • 设置足够的堆栈和内存空间

2. 调试技巧：

   • 使用wasm_runtime_set_max_thread_num限制线程数量
   • 逐步增加线程功能，定位问题点
   • 关注线程间共享数据的访问安全

3. 性能考量：

   • 合理规划线程数量
   • 避免频繁的内存分配/释放
   • 考虑使用内存池技术

通过以上措施，开发者可以构建稳定可靠的多线程Wasm应用，充分发挥WAMR的高性能特性。