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浅谈C/C++内存泄漏及其检测工具

温馨小屋 2006-04-03 09:00 我要吐槽
  对于一个c/c++程序员来说,内存泄漏是一个常见的也是令人头疼的问题。已经有许多技术被研究出来以应对这个问题,比如Smart Pointer,Garbage Collection等。Smart Pointer技术比较成熟,STL中已经包含支持Smart Pointer的class,但是它的使用似乎并不广泛,而且它也不能解决所有的问题;Garbage Collection技术在Java中已经比较成熟,但是在c/c++领域的发展并不顺畅,虽然很早就有人思考在C++中也加入GC的支持。现实世界就是这样的,作为一个c/c++程序员,内存泄漏是你心中永远的痛。不过好在现在有许多工具能够帮助我们验证内存泄漏的存在,找出发生问题的代码。

  内存泄漏的定义

  一般我们常说的内存泄漏是指堆内存的泄漏。堆内存是指程序从堆中分配的,大小任意的(内存块的大小可以在程序运行期决定),使用完后必须显示释放的内存。应用程序一般使用malloc,realloc,new等函数从堆中分配到一块内存,使用完后,程序必须负责相应的调用free或delete释放该内存块,否则,这块内存就不能被再次使用,我们就说这块内存泄漏了。以下这段小程序演示了堆内存发生泄漏的情形:

void MyFunction(int nSize)
{
 char* p= new char[nSize];
 if( !GetStringFrom( p, nSize ) ){
  MessageBox(“Error”);
  return;
 }
 …//using the string pointed by p;
 delete p;
}

  例一

  当函数GetStringFrom()返回零的时候,指针p指向的内存就不会被释放。这是一种常见的发生内存泄漏的情形。程序在入口处分配内存,在出口处释放内存,但是c函数可以在任何地方退出,所以一旦有某个出口处没有释放应该释放的内存,就会发生内存泄漏。

  广义的说,内存泄漏不仅仅包含堆内存的泄漏,还包含系统资源的泄漏(resource leak),比如核心态HANDLE,GDI Object,SOCKET, Interface等,从根本上说这些由操作系统分配的对象也消耗内存,如果这些对象发生泄漏最终也会导致内存的泄漏。而且,某些对象消耗的是核心态内存,这些对象严重泄漏时会导致整个操作系统不稳定。所以相比之下,系统资源的泄漏比堆内存的泄漏更为严重。

  GDI Object的泄漏是一种常见的资源泄漏:

void CMyView::OnPaint( CDC* pDC )
{
 CBitmap bmp;
 CBitmap* pOldBmp;
 bmp.LoadBitmap(IDB_MYBMP);
 pOldBmp = pDC->SelectObject( &bmp );
 …
 if( Something() ){
  return;
 }
 pDC->SelectObject( pOldBmp );
 return;
}

  例二

  当函数Something()返回非零的时候,程序在退出前没有把pOldBmp选回pDC中,这会导致pOldBmp指向的HBITMAP对象发生泄漏。这个程序如果长时间的运行,可能会导致整个系统花屏。这种问题在Win9x下比较容易暴露出来,因为Win9x的GDI堆比Win2k或NT的要小很多。

  内存泄漏的发生方式:

  以发生的方式来分类,内存泄漏可以分为4类:

  1. 常发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码会被多次执行到,每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏。比如例二,如果Something()函数一直返回True,那么pOldBmp指向的HBITMAP对象总是发生泄漏。

  2. 偶发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。比如例二,如果Something()函数只有在特定环境下才返回True,那么pOldBmp指向的HBITMAP对象并不总是发生泄漏。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境,偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要。

  3. 一次性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只会被执行一次,或者由于算法上的缺陷,导致总会有一块仅且一块内存发生泄漏。比如,在类的构造函数中分配内存,在析构函数中却没有释放该内存,但是因为这个类是一个Singleton,所以内存泄漏只会发生一次。另一个例子:

char* g_lpszFileName = NULL;

void SetFileName( const char* lpcszFileName )
{
 if( g_lpszFileName ){
  free( g_lpszFileName );
 }
 g_lpszFileName = strdup( lpcszFileName );
}

  例三

  如果程序在结束的时候没有释放g_lpszFileName指向的字符串,那么,即使多次调用SetFileName(),总会有一块内存,而且仅有一块内存发生泄漏。

  4. 隐式内存泄漏。程序在运行过程中不停的分配内存,但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏,因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序,需要运行几天,几周甚至几个月,不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以,我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏。举一个例子:

class Connection
{
 public:
  Connection( SOCKET s);
  ~Connection();
  …
 private:
  SOCKET _socket;
  …
};

class ConnectionManager
{
 public:
  ConnectionManager(){}
  ~ConnectionManager(){
   list::iterator it;
   for( it = _connlist.begin(); it != _connlist.end(); ++it ){
    delete (*it);
   }
   _connlist.clear();
  }
  void OnClientConnected( SOCKET s ){
   Connection* p = new Connection(s);
   _connlist.push_back(p);
  }
  void OnClientDisconnected( Connection* pconn ){
   _connlist.remove( pconn );
   delete pconn;
  }
 private:
  list _connlist;
};

  例四

  假设在Client从Server端断开后,Server并没有呼叫OnClientDisconnected()函数,那么代表那次连接的Connection对象就不会被及时的删除(在Server程序退出的时候,所有Connection对象会在ConnectionManager的析构函数里被删除)。当不断的有连接建立、断开时隐式内存泄漏就发生了。

  从用户使用程序的角度来看,内存泄漏本身不会产生什么危害,作为一般的用户,根本感觉不到内存泄漏的存在。真正有危害的是内存泄漏的堆积,这会最终消耗尽系统所有的内存。从这个角度来说,一次性内存泄漏并没有什么危害,因为它不会堆积,而隐式内存泄漏危害性则非常大,因为较之于常发性和偶发性内存泄漏它更难被检测到。

作者:蒋涛责任编辑:方舟)
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