C++中的資源泄露問(wèn)題

在Modern C++之前，C++無(wú)疑是個(gè)更容易寫(xiě)出坑的語(yǔ)言，無(wú)論從開(kāi)發(fā)效率，和易坑性，讓很多新手望而卻步。比如內(nèi)存泄露問(wèn)題，就是經(jīng)常會(huì)被寫(xiě)出來(lái)的坑，本文就讓我們一起來(lái)看看，這些讓現(xiàn)在或者曾經(jīng)的C++程序員淚流滿面的內(nèi)存泄露場(chǎng)景吧。你是否有踩過(guò)？

1. 函數(shù)內(nèi)或者類(lèi)成員內(nèi)存未釋放

這類(lèi)問(wèn)題可以稱(chēng)之為out of scope的時(shí)候，并沒(méi)有釋放相應(yīng)對(duì)象的堆上內(nèi)存。有時(shí)候最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，反而是最容易犯錯(cuò)的。這個(gè)我想主要是因?yàn)榻?jīng)常寫(xiě)，哪有不出錯(cuò)。下面場(chǎng)景一看就知道了，當(dāng)你在寫(xiě)XXX_Class * pObj = new XXX_Class（）;這一行的時(shí)候，腦子里面還在默念記得要釋放pObj ，記得要釋放pObj， 可能因?yàn)橹匾氖虑橐f(shuō)三遍，而你只喊了兩遍，最終還是忘記了寫(xiě)delete pObj; 這樣去釋放對(duì)象。

void MemoryLeakFunction（）

{

XXX_Class * pObj = new XXX_Class（）;

pObj-》DoSomething（）;

return;

}

下面這個(gè)場(chǎng)景，就是析構(gòu)函數(shù)中并沒(méi)有釋放成員所指向的內(nèi)存。這個(gè)我們就要注意了，一般當(dāng)你構(gòu)建一個(gè)類(lèi)的時(shí)候，寫(xiě)析構(gòu)函數(shù)一定要切記釋放類(lèi)成員關(guān)聯(lián)的資源。

class MemoryLeakClass

{

public：

MemoryLeakClass（）

{

m_pObj = new XXX_ResourceClass;

}

void DoSomething（）

{

m_pObj-》DoSomething（）;

}

~MemoryLeakClass（）

{

;

}

private：

XXX_ResourceClass* m_pObj;

};

上述這兩種代碼例子，是不是讓一個(gè)C++工程師如履薄冰，完全看自己的大腦在不在狀態(tài)。在boost或者C++ 11后，通過(guò)智能指針去進(jìn)行包裹這個(gè)原始指針，這是一種RAII的思想（可以參閱本文末尾的關(guān)聯(lián)閱讀）， 在out of scope的時(shí)候，釋放自己所包裹的原始指針指向的資源。將上述例子用unique_ptr改寫(xiě)一下。

void MemoryLeakFunction（）

{

std：：unique_ptr《XXX_Class》 pObj = make_unique《XXX_Class》（）;

pObj-》DoSomething（）;

return;

}

2. delete ［］

大家知道C++中這樣一個(gè)語(yǔ)句XXX_Class * pObj = new XXX_Class（）; 中的new我們一般稱(chēng)其為C++關(guān)鍵字 （keyword）， 就以這個(gè)語(yǔ)句為例做了兩個(gè)操作：

調(diào)用了operator new從堆上申請(qǐng)所需的空間

調(diào)用XXX_Class的構(gòu)造函數(shù)

那么當(dāng)你調(diào)用delete pObj;的時(shí)候，道理同new，剛好相反：

調(diào)用了XXX_Class的析構(gòu)函數(shù)

通過(guò)operator delete 釋放了內(nèi)存

一切似乎都沒(méi)有什么問(wèn)題，然后又一個(gè)坑來(lái)了。但如果申請(qǐng)的是一個(gè)數(shù)組呢，入下述例子：

class MemoryLeakClass

{public：

MemoryLeakClass（）

{

m_pStr = new char［100］;

}

void DoSomething（）

{

strcpy_s（m_pStr， 100， “Hello Memory Leak！”）;

std：：cout 《《 m_pStr 《《 std：：endl;

}

~MemoryLeakClass（）

{

delete m_pStr;

}

private：

char *m_pStr;

};

void MemoryLeakFunction（）

{

const int iSize = 5;

MemoryLeakClass* pArrayObjs = new MemoryLeakClass ［iSize］;

for （int i = 0; i 《 iSize; i++）

{

（pArrayObjs+i）-》DoSomething（）;

}

delete pArrayObjs;

}

上述例子通過(guò)MemoryLeakClass* pArrayObjs = new MemoryLeakClass ［iSize］;申請(qǐng)了一個(gè)MemoryLeakClass數(shù)組，那么調(diào)用不匹配的delete pArrayObjs;， 會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存泄露。先看看下圖， 然后結(jié)合剛講的delete的行為：

那么其實(shí)調(diào)用delete pArrayObjs;的時(shí)候，釋放了整個(gè)pArrayObjs的內(nèi)存，但是只調(diào)用了pArrayObjs［0］析構(gòu)函數(shù)并釋放中的m_pStr指向的內(nèi)存。pArrayObjs 1~4并沒(méi)有調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，從而導(dǎo)致其中的m_pStr指向的內(nèi)存沒(méi)有釋放。所以我們要注意new和delete要匹配使用，當(dāng)使用的new ［］申請(qǐng)的內(nèi)存最好要用delete［］。那么留一個(gè)問(wèn)題給讀者， 上面代碼delete m_pStr;會(huì)導(dǎo)致同樣的問(wèn)題嗎？如果總是要讓我們自己去保證，new和delete的配對(duì)，顯然還是難以避免錯(cuò)誤的發(fā)生的。這個(gè)時(shí)候也可以使用unique_ptr， 修改如下：

void MemoryLeakFunction（）

{

const int iSize = 5;

std：：unique_ptr《MemoryLeakClass［］》 pArrayObjs = std：：make_unique《MemoryLeakClass［］》（iSize）;

for （int i = 0; i 《 iSize; i++）

{

（pArrayObjs.get（）+i）-》DoSomething（）;

}

}

3. delete （void*）

如果上一個(gè)章節(jié)已經(jīng)有理解，那么對(duì)于這個(gè)例子，就很容易明白了。正因?yàn)镃++的靈活性，有時(shí)候會(huì)將一個(gè)對(duì)象指針轉(zhuǎn)換為void *，隱藏其類(lèi)型。這種情況SDK比較常用，實(shí)際上返回的并不是SDK用的實(shí)際類(lèi)型，而是一個(gè)沒(méi)有類(lèi)型的地址，當(dāng)然有時(shí)候我們會(huì)為其親切的取一個(gè)名字，比如叫做XXX_HANDLE。那么繼續(xù)用上述為例MemoryLeakClass， SDK假設(shè)提供了下面三個(gè)接口：

InitObj創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，并且返回一個(gè)PROGRAMER_HANDLE（即void *），對(duì)應(yīng)用程序屏蔽其實(shí)際類(lèi)型

DoSomething 提供了一個(gè)功能去做一些事情，輸入的參數(shù)，即為通過(guò)InitObj申請(qǐng)的對(duì)象

應(yīng)用程序使用完畢后，一般需要釋放SDK申請(qǐng)的對(duì)象，提供了FreeObj

typedef void * PROGRAMER_HANDLE;

PROGRAMER_HANDLE InitObj（）

{

MemoryLeakClass* pObj = new MemoryLeakClass（）;

return （PROGRAMER_HANDLE）pObj;

}

void DoSomething（PROGRAMER_HANDLE pHandle）

{

（（MemoryLeakClass*）pHandle）-》DoSomething（）;

}

void FreeObj（void *pObj）

{

delete pObj;

}

看到這里，也許有讀者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在了。上述代碼在調(diào)用FreeObj的時(shí)候，delete看到的是一個(gè)void *， 只會(huì)釋放對(duì)象所占用的內(nèi)存，但是并不會(huì)調(diào)用對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)，那么對(duì)象內(nèi)部的m_pStr所指向的內(nèi)存并沒(méi)有被釋放，從而會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄露。修改也是自然比較簡(jiǎn)單的：

void FreeObj（void *pObj）

{

delete （（MemoryLeakClass*）pObj）;

}

那么一般來(lái)說(shuō)，最好由相對(duì)資深的程序員去進(jìn)行SDK的開(kāi)發(fā)，無(wú)論從設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上面，都盡量避免了各種讓人淚流滿滿的坑。

4. Virtual destructor

現(xiàn)在大家來(lái)看看這個(gè)很容易犯錯(cuò)的場(chǎng)景， 一個(gè)很常用的多態(tài)場(chǎng)景。那么在調(diào)用delete pObj;會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露嗎？

class Father

{public：

virtual void DoSomething（）

{

std：：cout 《《 “Father DoSomething（）” 《《 std：：endl;

}

};

class Child ： public Father

{

public：

Child（）

{

std：：cout 《《 “Child（）” 《《 std：：endl;

m_pStr = new char［100］;

}

~Child（）

{

std：：cout 《《 “~Child（）” 《《 std：：endl;

delete［］ m_pStr;

}

void DoSomething（）

{

std：：cout 《《 “Child DoSomething（）” 《《 std：：endl;

}

protected：

char* m_pStr;

};

void MemoryLeakVirualDestructor（）

{

Father * pObj = new Child;

pObj-》DoSomething（）;

delete pObj;

}

會(huì)的，因?yàn)镕ather沒(méi)有設(shè)置Virtual 析構(gòu)函數(shù)，那么在調(diào)用delete pObj;的時(shí)候會(huì)直接調(diào)用Father的析構(gòu)函數(shù)，而不會(huì)調(diào)用Child的析構(gòu)函數(shù)，這就導(dǎo)致了Child中的m_pStr所指向的內(nèi)存，并沒(méi)有被釋放，從而導(dǎo)致了內(nèi)存泄露。并不是絕對(duì)，當(dāng)有這種使用場(chǎng)景的時(shí)候，最好是設(shè)置基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)為虛析構(gòu)函數(shù)。修改如下：

class Father

{public：

virtual void DoSomething（）

{

std：：cout 《《 “Father DoSomething（）” 《《 std：：endl;

}

virtual ~Father（） { ; }

};

class Child ： public Father

{

public：

Child（）

{

std：：cout 《《 “Child（）” 《《 std：：endl;

m_pStr = new char［100］;

}

virtual ~Child（）

{

std：：cout 《《 “~Child（）” 《《 std：：endl;

delete［］ m_pStr;

}

void DoSomething（）

{

std：：cout 《《 “Child DoSomething（）” 《《 std：：endl;

}

protected：

char* m_pStr;

};

5. 對(duì)象循環(huán)引用

看下面例子，既然為了防止內(nèi)存泄露，于是使用了智能指針shared_ptr；并且這個(gè)例子就是創(chuàng)建了一個(gè)雙向鏈表，為了簡(jiǎn)單演示，只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為演示，創(chuàng)建了鏈表后，對(duì)鏈表進(jìn)行遍歷。

那么這個(gè)例子會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄露嗎？

struct Node

{

Node（int iVal）

{

m_iVal = iVal;

}

~Node（）

{

std：：cout 《《 “~Node（）： ” 《《 “Node Value： ” 《《 m_iVal 《《 std：：endl;

}

void PrintNode（）

{

std：：cout 《《 “Node Value： ” 《《 m_iVal 《《 std：：endl;

}

std：：shared_ptr《Node》 m_pPreNode;

std：：shared_ptr《Node》 m_pNextNode;

int m_iVal;

};

void MemoryLeakLoopReference（）

{

std：：shared_ptr《Node》 pFirstNode = std：：make_shared《Node》（100）;

std：：shared_ptr《Node》 pSecondNode = std：：make_shared《Node》（200）;

pFirstNode-》m_pNextNode = pSecondNode;

pSecondNode-》m_pPreNode = pFirstNode;

//Iterate nodes

auto pNode = pFirstNode;

while （pNode）

{

pNode-》PrintNode（）;

pNode = pNode-》m_pNextNode;

}

}

先來(lái)看看下圖，是鏈表創(chuàng)建完成后的示意圖。有點(diǎn)暈乎了，怎么一個(gè)雙向鏈表畫(huà)的這么復(fù)雜，黃色背景的均為智能指針或者智能指針的組成部分。其實(shí)根據(jù)雙向鏈表的簡(jiǎn)單性和下圖的復(fù)雜性，可以想到，智能指針的引入雖然提高了安全性，但是損失的是性能。所以往往安全性和性能是需要互相權(quán)衡的。 我們繼續(xù)往下看，哪里內(nèi)存泄露了呢？

如果函數(shù)退出，那么m_pFirstNode和m_pNextNode作為棧上局部變量，智能指針本身調(diào)用自己的析構(gòu)函數(shù)，給引用的對(duì)象引用計(jì)數(shù)減去1（shared_ptr本質(zhì)采用引用計(jì)數(shù)，當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)刪除對(duì)象）。此時(shí)如下圖所示，可以看到智能指針的引用計(jì)數(shù)仍然為1， 這也就導(dǎo)致了這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際內(nèi)存，并沒(méi)有被釋放掉， 從而導(dǎo)致內(nèi)存泄露。

你可以在函數(shù)返回前手動(dòng)調(diào)用pFirstNode-》m_pNextNode.reset（）;強(qiáng)制讓引用計(jì)數(shù)減去1， 打破這個(gè)循環(huán)引用。

還是之前那句話，如果通過(guò)手動(dòng)去控制難免會(huì)出現(xiàn)遺漏的情況， C++提供了weak_ptr。

struct Node

{

Node（int iVal）

{

m_iVal = iVal;

}

~Node（）

{

std：：cout 《《 “~Node（）： ” 《《 “Node Value： ” 《《 m_iVal 《《 std：：endl;

}

void PrintNode（）

{

std：：cout 《《 “Node Value： ” 《《 m_iVal 《《 std：：endl;

}

std：：shared_ptr《Node》 m_pPreNode;

std：：weak_ptr《Node》 m_pNextNode;

int m_iVal;

};

void MemoryLeakLoopRefference（）

{

std：：shared_ptr《Node》 pFirstNode = std：：make_shared《Node》（100）;

std：：shared_ptr《Node》 pSecondNode = std：：make_shared《Node》（200）;

pFirstNode-》m_pNextNode = pSecondNode;

pSecondNode-》m_pPreNode = pFirstNode;

//Iterate nodes

auto pNode = pFirstNode;

while （pNode）

{

pNode-》PrintNode（）;

pNode = pNode-》m_pNextNode.lock（）;

}

}

看看使用了weak_ptr之后的鏈表結(jié)構(gòu)如下圖所示，weak_ptr只是對(duì)管理的對(duì)象做了一個(gè)弱引用，其并不會(huì)實(shí)際支配對(duì)象的釋放與否，對(duì)象在引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候就進(jìn)行了釋放，而無(wú)需關(guān)心weak_ptr的weak計(jì)數(shù)。注意shared_ptr本身也會(huì)對(duì)weak計(jì)數(shù)加1.

那么在函數(shù)退出后，當(dāng)pSecondNode調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的時(shí)候，對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減一，引用計(jì)數(shù)為0，釋放第二個(gè)Node，在釋放第二個(gè)Node的過(guò)程中又調(diào)用了m_pPreNode的析構(gòu)函數(shù)，第一個(gè)Node對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減1，再加上pFirstNode析構(gòu)函數(shù)對(duì)第一個(gè)Node對(duì)象的引用計(jì)數(shù)也減去1，那么第一個(gè)Node對(duì)象的引用計(jì)數(shù)也為0，第一個(gè)Node對(duì)象也進(jìn)行了釋放。

如果將上述代碼改為雙向循環(huán)鏈表，去除那個(gè)循環(huán)遍歷Node的代碼，那么最后Node的內(nèi)存會(huì)被釋放嗎？這個(gè)問(wèn)題留給讀者。

6. 資源泄露

如果說(shuō)些作文的話，這一章節(jié)，可能有點(diǎn)偏題了。本章要講的是廣義上的資源泄露，比如句柄或者fd泄露。這些也算是內(nèi)存泄露的一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)展，寫(xiě)作文的一點(diǎn)點(diǎn)延伸吧。

看看下述例子， 其在操作完文件后，忘記調(diào)用CloseHandle（hFile）;了，從而導(dǎo)致內(nèi)存泄露。

void MemroyLeakFileHandle（）

{

HANDLE hFile = CreateFile（LR“（C： estdoc.txt）”，

GENERIC_READ，

FILE_SHARE_READ，

NULL，

OPEN_EXISTING，

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL，

NULL）;

if （INVALID_HANDLE_VALUE == hFile）

{

std：：cerr 《《 “Open File error！” 《《 std：：endl;

return;

}

const int BUFFER_SIZE = 100;

char pDataBuffer［BUFFER_SIZE］;

DWORD dwBufferSize;

if （ReadFile（hFile，

pDataBuffer，

BUFFER_SIZE，

&dwBufferSize，

NULL））

{

std：：cout 《《 dwBufferSize 《《 std：：endl;

}

}

上述你可以用RAII機(jī)制去封裝hFile從而讓其在函數(shù)退出后，直接調(diào)用CloseHandle（hFile）;。C++智能指針提供了自定義deleter的功能，這就可以讓我們使用這個(gè)deleter的功能，改寫(xiě)代碼如下。不過(guò)本人更傾向于使用類(lèi)似于golang defer的實(shí)現(xiàn)方式，讀者可以參閱本文相關(guān)閱讀部分。

void MemroyLeakFileHandle（）

{

HANDLE hFile = CreateFile（LR“（C： estdoc.txt）”，

GENERIC_READ，

FILE_SHARE_READ，

NULL，

OPEN_EXISTING，

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL，

NULL）;

std：：unique_ptr《 HANDLE， std：：function《void（HANDLE*）》》 phFile（

&hFile，

［］（HANDLE* pHandle） {

if （nullptr ！= pHandle）

{

std：：cout 《《 “Close Handle” 《《 std：：endl;

CloseHandle（*pHandle）;

}

}）;

if （INVALID_HANDLE_VALUE == *phFile）

{

std：：cerr 《《 “Open File error！” 《《 std：：endl;

return;

}

const int BUFFER_SIZE = 100;

char pDataBuffer［BUFFER_SIZE］;

DWORD dwBufferSize;

if （ReadFile（*phFile，

pDataBuffer，

BUFFER_SIZE，

&dwBufferSize，

NULL））

{

std：：cout 《《 dwBufferSize 《《 std：：endl;

}

}

責(zé)任編輯：haq