編程實(shí)踐中內(nèi)存泄漏的檢測(cè)與處理

文丨樸艷麗 張 楠

C++的強(qiáng)大功能之一就是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，即允許在程序運(yùn)行的過程中靈活分配所需的內(nèi)存，然而，有效地管理這些內(nèi)存同樣也是非常重要的。當(dāng)以前分配的一片內(nèi)存不再需要使用或無法訪問時(shí)，但是卻并沒有釋放它，那么對(duì)于該進(jìn)程來說，會(huì)因此導(dǎo)致總可用內(nèi)存的減少，這時(shí)就出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏。

1 內(nèi)存泄露的定義

一般我們常說的內(nèi)存泄露指的是堆內(nèi)存的泄露。應(yīng)用程序一般以malloc，new，relloc，等從內(nèi)存中分配的內(nèi)存空間，使用完成后程序必須負(fù)責(zé)free或者delete掉這部分內(nèi)存空間，否則這塊內(nèi)存就不能被再次使用就是我們通常說的內(nèi)存泄露。此外，內(nèi)存泄露還包括系統(tǒng)資源的泄露。比如HANDLE，GDI Object，Socket，interface等，有些對(duì)象消耗的是核心態(tài)的內(nèi)存，因此，從某種角度上說，系統(tǒng)資源的泄露比堆內(nèi)存泄露更加恐怖，可能導(dǎo)致操作系統(tǒng)的不穩(wěn)定。GDI object泄露是一種常見的資源泄露。

2 內(nèi)存泄露的分類

以發(fā)生的方式來說，內(nèi)存泄露大致分為以下幾種：（1）常發(fā)性內(nèi)存泄露，發(fā)生內(nèi)存泄露的代碼會(huì)被經(jīng)常執(zhí)行到，每次執(zhí)行都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄露。（2）偶發(fā)性內(nèi)存泄露，發(fā)生內(nèi)存泄露的代碼只有在特定的環(huán)境下才會(huì)被執(zhí)行到，因此，在特定的環(huán)境下偶發(fā)內(nèi)存泄露可能會(huì)變成常發(fā)性內(nèi)存泄露，檢測(cè)內(nèi)存泄露變得至關(guān)重要。（3）一次性內(nèi)存泄露，發(fā)生內(nèi)存泄露的代碼只會(huì)被執(zhí)行一次。（4）隱式內(nèi)存泄露。程序在運(yùn)行過程中不停的分配內(nèi)存，但是直到結(jié)束后才釋放內(nèi)存，從嚴(yán)格的角度來說這里并沒有內(nèi)存泄露，因?yàn)槌绦蜃罱K釋放了所有的申請(qǐng)資源，但是不及時(shí)的釋放內(nèi)存也有可能造成內(nèi)存泄露。

3 內(nèi)存泄露的檢測(cè)

3.1 截獲內(nèi)存分配釋放函數(shù)

每當(dāng)分配一塊內(nèi)存，就把它的指針加入一個(gè)全局的list中，每當(dāng)釋放一塊內(nèi)存就把它的指針從全局list中取出，最后等到進(jìn)程關(guān)閉的時(shí)候，list中剩余的指針就是那些沒有釋放的內(nèi)存。

如果要檢測(cè)內(nèi)存泄露，那么只要截取住malloc/relloc/free和new/delete即可，其實(shí)（new/delete）也是malloc free 所以只要截獲前一組即可，對(duì)于其他的內(nèi)存泄露采用類似的方法，截獲住相應(yīng)的分配和釋放函數(shù)。比如檢測(cè)BSTR的泄露，就需要截獲SysallocString/SysfreeString，要檢測(cè)HMENU的泄露，就需要截獲CreateMenuDestoryMenu（有的資源分配函數(shù)由多個(gè)但是釋放函數(shù)只有一個(gè)，此時(shí)需要截獲所有的分配函數(shù)）。

3.2 借助DEBUGER和CRT堆除錯(cuò)函數(shù)

要使除錯(cuò)函數(shù)生效，必須要在程序中包含以下幾個(gè)語句：

并且這些#include 語句必須按上邊給出的順序使用。如果你改變了順序，可能導(dǎo)致使用的函數(shù)工作不正常。包含crtdbg.h的作用是用malloc和free函數(shù)的debug版本（_malloc_dbg 和 _free_dbg）來替換他們，他們能跟蹤內(nèi)存分配和回收。這個(gè)替換僅僅是在debug狀態(tài)下生效，Relese版本中還是使用普通的malloc和free函數(shù)。上面的#define語句使用crt堆函數(shù)相應(yīng)的debug版本來替換正常的堆函數(shù)。這個(gè)語句不是必需的，但是沒有他，你可能會(huì)失去一些有用的內(nèi)存泄漏信息。

一旦在程序中增加了以上的語句，就可以通過在程序中增加_CrtDumpMemoryLeaks（）；函數(shù)來輸出內(nèi)存泄漏信息。當(dāng)你在debuger下運(yùn)行你的程序時(shí)，_CrtDumpMemoryLeaks 顯示內(nèi)存泄漏信息在OutPut窗口的Debug標(biāo)簽項(xiàng)里。

3.3 利用Windows平臺(tái)下的內(nèi)存檢測(cè)工具

一般有三種：（1）MS C-Runtime libray內(nèi)建的檢測(cè)功能；（2）外掛是檢測(cè)工具，諸如purify，boundschecker等；（3）利用windows NT自帶的performance Monitor。

4 內(nèi)存泄露的處理

4.1 使用工具軟件BoundsChecker

BoundsChecker是一個(gè)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)工具，它主要定位程序運(yùn)行時(shí)期發(fā)生的各種錯(cuò)誤。它通過駐留在集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)部的自動(dòng)處理調(diào)試程序來加速應(yīng)用程序的開發(fā)，縮短產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間。BoundsChecker對(duì)于編程中的錯(cuò)誤提供了清晰的詳細(xì)的分析。它能夠檢測(cè)和診斷出，在靜態(tài)堆棧內(nèi)存中的錯(cuò)誤以及內(nèi)存和資源泄漏問題。在集成開發(fā)環(huán)境下，調(diào)試運(yùn)行DEBUG版程序，BoundsChecker在運(yùn)行時(shí)檢測(cè)內(nèi)存泄漏，并在可能出現(xiàn)內(nèi)存泄漏的代碼處中斷程序運(yùn)行，開發(fā)人員可根據(jù)調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，排除內(nèi)存泄漏。

4.2 運(yùn)用CRT（C run-time libraries）技術(shù)

調(diào)試運(yùn)行DEBUG版程序，運(yùn)用以下技術(shù)：CRT（C run-time libraries）、運(yùn)行時(shí)函數(shù)調(diào)用堆棧、內(nèi)存泄漏時(shí)提示的內(nèi)存分配序號(hào)（集成開發(fā)環(huán)境OUTPUT窗口），綜合分析內(nèi)存泄漏的原因，排除內(nèi)存泄漏。

首先，需要在程序中包含必要的語句，用來啟用調(diào)試堆函數(shù)。其次，設(shè)置內(nèi)存泄漏檢測(cè)報(bào)告。在程序結(jié)束后，自動(dòng)調(diào)用_CrtDumpMemoryLeaks方法，在OUTPUT窗口中報(bào)告內(nèi)存泄漏的相關(guān)信息。最后，根據(jù)OUTPUT窗口中提示的內(nèi)存泄漏相關(guān)信息，排除泄漏。分兩種情況：一種情況是程序退出時(shí)，在OUTPUT窗口中，直接報(bào)告出現(xiàn)內(nèi)存泄漏的源代碼文件名及具體代碼行數(shù)。只需要分析此處代碼，根據(jù)上、下文修改，一般就可以正確釋放內(nèi)存了；另外一種情況是使用_CrtSetBreakAlloc方法來檢查定位內(nèi)存泄漏位置。

4.3 多線程環(huán)境下，也可以使用_CrtSetBreakAlloc方法來定位內(nèi)存泄漏

具體操作步驟如下：（1）先在調(diào)試狀態(tài)下運(yùn)行幾次程序，觀察內(nèi)存分配順序號(hào)是哪幾個(gè)值。（2）用出現(xiàn)次數(shù)最多的那個(gè)順序號(hào)來設(shè)斷點(diǎn)。即：在代碼中添加如下調(diào)用：_CrtSetBreakAlloc（20）；（假設(shè)：OUTPUT窗口中，報(bào)告{20}最多。即：第20次內(nèi)存分配出現(xiàn)泄漏的情況較常發(fā)生）（3）在調(diào)試狀態(tài)下運(yùn)行程序，在斷點(diǎn)停下時(shí)，打開"調(diào)用堆棧"窗口，找到對(duì)應(yīng)發(fā)生內(nèi)存泄漏的源代碼。（4）退出程序，觀察OUTPUT窗口的內(nèi)存泄漏報(bào)告，看本次內(nèi)存分配的順序號(hào)是不是和預(yù)設(shè)值（_CrtSetBreakAlloc中設(shè)置的值）相同，如果相同，就找到了；如果不同，就重復(fù)步驟（3），直到相同。（5）最后根據(jù)分析結(jié)果，在適當(dāng)?shù)奈恢冕尫欧峙涞膬?nèi)存。

由于自己在教學(xué)實(shí)踐及編程經(jīng)驗(yàn)上還有很多不足，上文中的錯(cuò)誤及不足之處希望大家多多批評(píng)、指正。

[1][C++2010]ISO/IEC 14882.Programming Languages-C++，1st Edition. International Standardization Organization，International Electrotechnical Commission，American National Standards Institute，and Information Technology Industry Council，2010.

[2][Stroustrup2009]Bjarne Stroustrup. The C++ Programming Language，3rd Edition. Addison-Wesley，2009.