如何發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏

由于 C 和 C++ 程序中完全由程序員自主申請(qǐng)和釋放內(nèi)存，稍不注意，就會(huì)在系統(tǒng)中導(dǎo)入內(nèi)存錯(cuò)誤。同時(shí)，內(nèi)存錯(cuò)誤往往非常嚴(yán)重，一般會(huì)帶來諸如系統(tǒng)崩潰，內(nèi)存耗盡這樣嚴(yán)重的 后果。本文將從靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩個(gè)角度介紹在 Linux 環(huán)境進(jìn)行內(nèi)存泄漏檢測(cè)的方法，并重點(diǎn)介紹靜態(tài)分析工具 BEAM、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工具 Valgrind 和 rational purify 的使用方法。相信通過本文的介紹，能給大家對(duì)處理其它產(chǎn)品或項(xiàng)目?jī)?nèi)存泄漏相關(guān)的問題時(shí)提供借鑒。

從 歷史上看，來自計(jì)算機(jī)應(yīng)急響應(yīng)小組和供應(yīng)商的許多最嚴(yán)重的安全公告都是由簡(jiǎn)單的內(nèi)存錯(cuò)誤造成的。自從 70 年代末期以來，C/C++ 程序員就一直討論此類錯(cuò)誤，但其影響在 2007 年仍然很大。與許多其他類型的常見錯(cuò)誤不同，內(nèi)存錯(cuò)誤通常具有隱蔽性，即它們很難再現(xiàn)，癥狀通常不能在相應(yīng)的源代碼中找到。例如，無論何時(shí)何地發(fā)生內(nèi)存泄 漏，都可能表現(xiàn)為應(yīng)用程序完全無法接受，同時(shí)內(nèi)存泄漏不是顯而易見[1]。存在內(nèi)存錯(cuò)誤的 C 和 C++ 程序會(huì)導(dǎo)致各種問題。如果它們泄漏內(nèi)存，則運(yùn)行速度會(huì)逐漸變慢，并最終停止運(yùn)行；如果覆蓋內(nèi)存，則會(huì)變得非常脆弱，很容易受到惡意用戶的攻擊。

因 此，出于這些原因，需要特別關(guān)注 C 和 C++ 編程的內(nèi)存問題，特別是內(nèi)存泄漏。本文先從如何發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏，然后使用不同的方法和工具定位內(nèi)存泄漏，最后對(duì)這些工具進(jìn)行了比較，另外還簡(jiǎn)單介紹了資源泄 漏的處理(以句柄泄漏為例)。本文使用的測(cè)試平臺(tái)是：Linux (Redhat AS4)。但是這些方法和工具許多都不只是局限于 C/C++ 語(yǔ)言以及 linux 操作系統(tǒng)。

內(nèi)存泄漏一般指的是堆內(nèi)存的泄漏。堆內(nèi)存是指程序從堆中分配的、大小任意的（內(nèi)存塊的大小可以在程序 運(yùn)行期決定）、使用完后必須顯示的釋放的內(nèi)存。應(yīng)用程序一般使用malloc、realloc、new 等函數(shù)從堆中分配到一塊內(nèi)存，使用完后，程序必須負(fù)責(zé)相應(yīng)的調(diào)用 free 或 delete 釋放該內(nèi)存塊。否則，這塊內(nèi)存就不能被再次使用，我們就說這塊內(nèi)存泄漏了。

1. 如何發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏

有些 簡(jiǎn)單的內(nèi)存泄漏問題可以從在代碼的檢查階段確定。還有些泄漏比較嚴(yán)重的，即在很短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致程序或系統(tǒng)崩潰，或者系統(tǒng)報(bào)告沒有足夠內(nèi)存，也比較容易發(fā) 現(xiàn)。最困難的就是泄漏比較緩慢，需要觀測(cè)幾天、幾周甚至幾個(gè)月才能看到明顯異?，F(xiàn)象。那么如何在比較短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出有沒有潛在的內(nèi)存泄漏問題呢？實(shí)際上 不同的系統(tǒng)都帶有內(nèi)存監(jiān)視工具，我們可以從監(jiān)視工具收集一段時(shí)間內(nèi)的堆棧內(nèi)存信息，觀測(cè)增長(zhǎng)趨勢(shì)，來確定是否有內(nèi)存泄漏。在 Linux 平臺(tái)可以用 ps 命令，來監(jiān)視內(nèi)存的使用，比如下面的命令 (觀測(cè)指定進(jìn)程的VSZ值)：

ps -aux

2. 靜態(tài)分析

包括手動(dòng)檢測(cè)和靜態(tài)工具分析，這是代價(jià)最小的調(diào)試方法。

2.1 手動(dòng)檢測(cè)

當(dāng)使用 C/C++ 進(jìn)行開發(fā)時(shí)，采用良好的一致的編程規(guī)范是防止內(nèi)存問題第一道也是最重要的措施。檢測(cè)是編碼標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。二者各有裨益，但結(jié)合使用效果特別好。專業(yè)的 C 或 C++ 專業(yè)人員甚至可以瀏覽不熟悉的源代碼，并以極低的成本檢測(cè)內(nèi)存問題。通過少量的實(shí)踐和適當(dāng)?shù)奈谋舅阉?，您能夠快速?yàn)證平衡的 *alloc() 和 free() 或者 new 和 delete 的源主體。人工查看此類內(nèi)容通常會(huì)出現(xiàn)像清單 1 中一樣的問題，可以定位出在函數(shù) LeakTest 中的堆變量 Logmsg 沒有釋放。

清單1. 簡(jiǎn)單的內(nèi)存泄漏

#include

#include

#include

int LeakTest(char * Para)

{

if(NULL==Para){

//local_log("LeakTest Func: empty parameter/n");

return -1;

}

char * Logmsg = new char[128];

if(NULL == Logmsg){

//local_log("memeory allocation failed/n");

return -2;

}

sprintf(Logmsg,"LeakTest routine exit: '%s'./n", Para);

//local_log(Logmsg);

return 0;

}

int main(int argc,char **argv )

{

char szInit [] = "testcase1";

LeakTest(szInit);

return 0;

}

2.2 靜態(tài)代碼分析工具

代碼靜態(tài)掃描和分析的工具比較多，比如 splint, PC-LINT, BEAM 等。因?yàn)?BEAM 支持的平臺(tái)比較多，這以 BEAM 為例，做個(gè)簡(jiǎn)單介紹，其它有類似的處理過程。

BEAM 可以檢測(cè)四類問題: 沒有初始化的變量；廢棄的空指針；內(nèi)存泄漏；冗余計(jì)算。而且支持的平臺(tái)比較多。

BEAM 支持以下平臺(tái)：

• Linux x86 (glibc 2.2.4)
• Linux s390/s390x (glibc 2.3.3 or higher)
• Linux (PowerPC, USS) (glibc 2.3.2 or higher)
• AIX (4.3.2+)
• Window2000 以上

清單2. 用作 Beam 分析的代碼

#include

#include

#include

int *p;

void

foo(int a)

{

int b, c;

b = 0;

if(!p) c = 1;

if(c > a)

c += p[1];

}

int LeakTest(char * Para)

{

char * Logmsg = new char[128];

if((Para==NULL)||(Logmsg == NULL))

return -1; sprintf(Logmsg,"LeakTest routine exit: '%s'./n", Para); return 0;

}

int main(int argc,char **argv )

{

char szInit [] = "testcase1";

LeakTest(szInit);

return 0;

}

下面以 X86 Linux 為例,代碼如清單 2，具體的環(huán)境如下:

OS: Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant Update 2)

GCC: gcc version 3.4.4

BEAM: 3.4.2; https://w3.eda.ibm.com/beam/

可以把 BEAM 看作一個(gè) C/C++ 編譯器，按下面的命令進(jìn)行編譯 (前面兩個(gè)命令是設(shè)置編譯器環(huán)境變量)：

./beam-3.4.2/bin/beam_configure --c gcc

./beam-3.4.2/bin/beam_configure --cpp g++

./beam-3.4.2/bin/beam_compile --beam::compiler=compiler_cpp_config.tcl -cpp code2.cpp

從下面的編譯報(bào)告中，我們可以看到這段程序中有三個(gè)錯(cuò)誤:”內(nèi)存泄漏”；“變量未初始化”；“ 空指針操作”

"code2.cpp", line 10: warning: variable "b" was set but never used

int b, c;

^

BEAM_VERSION=3.4.2

BEAM_ROOT=/home/hanzb/memdetect

BEAM_DIRECTORY_WRITE_INNOCENTS=

BEAM_DIRECTORY_WRITE_ERRORS=

-- ERROR23(heap_memory) / memory leak / >>>ERROR23_LeakTest_7b00071dc5cbb458

"code2.cpp", line 24: memory leak

ONE POSSIBLE PATH LEADING TO THE ERROR:

"code2.cpp", line 22: allocating using `operator new[]' (this memory will not be freed)

"code2.cpp", line 22: assigning into `Logmsg'

"code2.cpp", line 24: deallocating `Logmsg' because exiting its scope (losing last pointer to the memory)

-- ERROR1 / uninitialized / >>>ERROR1_foo_60c7889b2b608

"code2.cpp", line 16: uninitialized `c'

ONE POSSIBLE PATH LEADING TO THE ERROR:

"code2.cpp", line 10: allocating `c'

"code2.cpp", line 13: the if-condition is false

"code2.cpp", line 16: getting the value of `c'

VALUES AT THE END OF THE PATH:

p != 0 -- ERROR2 / operating on NULL / >>>ERROR2_foo_af57809a2b615

"code2.cpp", line 17: invalid operation involving NULL pointer

ONE POSSIBLE PATH LEADING TO THE ERROR:

"code2.cpp", line 13: the if-condition is true (used as evidence that error is possible)

"code2.cpp", line 16: the if-condition is true

"code2.cpp", line 17: invalid operation []' involving NULL pointer p'

VALUES AT THE END OF THE PATH:

c = 1 p = 0 a <= 0

2.3 內(nèi)嵌程序

可以重載內(nèi)存分配和釋放函數(shù) new 和 delete,然后編寫程序定期統(tǒng)計(jì)內(nèi)存的分配和釋放，從中找出可能的內(nèi)存泄漏?；蛘哒{(diào)用系統(tǒng)函數(shù)定期監(jiān)視程序堆的大小，關(guān)鍵要確定堆的增長(zhǎng)是泄漏而不是合理的內(nèi)存使用。這類方法比較復(fù)雜，在這就不給出詳細(xì)例子了。

3. 動(dòng)態(tài)運(yùn)行檢測(cè)

實(shí)時(shí)檢測(cè)工具主要有 valgrind, Rational purify 等。

3.1 Valgrind

valgrind 是幫助程序員尋找程序里的 bug 和改進(jìn)程序性能的工具。程序通過 valgrind 運(yùn)行時(shí)，valgrind 收集各種有用的信息，通過這些信息可以找到程序中潛在的 bug 和性能瓶頸。

Valgrind 現(xiàn)在提供多個(gè)工具，其中最重要的是 Memcheck，Cachegrind，Massif 和 Callgrind。Valgrind 是在 Linux 系統(tǒng)下開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)用于調(diào)試內(nèi)存問題的工具。它尤其擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存管理的問題，它可以檢查程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存泄漏問題。其中的 memecheck 工具可以用來尋找 c、c++ 程序中內(nèi)存管理的錯(cuò)誤?？梢詸z查出下列幾種內(nèi)存操作上的錯(cuò)誤：

• 讀寫已經(jīng)釋放的內(nèi)存
• 讀寫內(nèi)存塊越界（從前或者從后）
• 使用還未初始化的變量
• 將無意義的參數(shù)傳遞給系統(tǒng)調(diào)用
• 內(nèi)存泄漏

3.2 Rational purify

Rational Purify 主要針對(duì)軟件開發(fā)過程中難于發(fā)現(xiàn)的內(nèi)存錯(cuò)誤、運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。在軟件開發(fā)過程中自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，準(zhǔn)確地定位錯(cuò)誤，提供完備的錯(cuò)誤信息，從而減少了調(diào)試時(shí)間。同 時(shí)也是市場(chǎng)上唯一支持多種平臺(tái)的類似工具，并且可以和很多主流開發(fā)工具集成。Purify 可以檢查應(yīng)用的每一個(gè)模塊，甚至可以查出復(fù)雜的多線程或進(jìn)程應(yīng)用中的錯(cuò)誤。另外不僅可以檢查 C/C++，還可以對(duì) Java 或 .NET 中的內(nèi)存泄漏問題給出報(bào)告。

在 Linux 系統(tǒng)中，使用 Purify 需要重新編譯程序。通常的做法是修改 Makefile 中的編譯器變量。下面是用來編譯本文中程序的 Makefile：

CC=purify gcc

首先運(yùn)行 Purify 安裝目錄下的 purifyplus_setup.sh 來設(shè)置環(huán)境變量，然后運(yùn)行 make 重新編譯程序。

./purifyplus_setup.sh

下面給出編譯一個(gè)代碼文件的示例，源代碼文件命名為 test3.cpp. 用 purify 和 g++ 的編譯命令如下，‘-g’是編譯時(shí)加上調(diào)試信息。

purify g++ -g test3.cpp –o test

運(yùn)行編譯生成的可執(zhí)行文件 test，就可以得到圖1，可以定位出內(nèi)存泄漏的具體位置。

./test

清單3. Purify 分析的代碼

#include char * Logmsg;

int LeakTest(char * Para)

{

if(NULL==Para){

//local_log("LeakTest Func: empty parameter/n");

return -1;

}

Logmsg = new char[128];

for (int i = 0 ; i < 128; i++)

Logmsg[i] = i%64;

if(NULL == Logmsg){

//local_log("memeory allocation failed/n");

return -2;

}

sprintf(Logmsg,"LeakTest routine exit: '%s'./n", Para);

//local_log(Logmsg);

return 0;

}

int main(int argc,char **argv )

{

char szInit [] = "testcase1";

int i;

LeakTest(szInit);

for (i=0; i < 2; i++){

if(i%200 == 0)

LeakTest(szInit);

sleep(1);

} return 0;

}

需要指出的是，程序必須編譯成調(diào)試版本才可以定位到具體哪行代碼發(fā)生了內(nèi)存泄漏。即在 gcc 或者 g++ 中，必須使用 "-g" 選項(xiàng)。

purify 的輸出結(jié)果

結(jié)論

本文介紹了多種內(nèi)存泄漏，定位方法(包括靜態(tài)分析，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè))。涉及到了多個(gè)工具，詳細(xì)描述的它們的用法、用途以及優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)處理其它產(chǎn)品或項(xiàng)目?jī)?nèi)存泄漏相關(guān)的問題有很好的借鑒意義。

--------------------內(nèi)存泄漏

在此，談?wù)摰氖浅绦蛟O(shè)計(jì)中內(nèi)存泄漏和錯(cuò)誤的問題，不過，并不是所有的程序都有這一問 題。首先，泄漏等一些內(nèi)存方面的問題在有的程序語(yǔ)言中是不容易發(fā)生的。這些程序語(yǔ)言一般都認(rèn)為內(nèi)存管理太重要了，所以不能由程序員來處理，最好還是由程序 語(yǔ)言設(shè)計(jì)者來處理這些問題，這樣的語(yǔ)言有Perl、Java等等。

然而，在一些語(yǔ)言(最典型的就是C和C++)中，程序語(yǔ)言的設(shè)計(jì)者也認(rèn) 為內(nèi)存管理太重要，但必需由開發(fā)人員自己來處理。內(nèi)存泄漏指的是程序員動(dòng)態(tài)分配了內(nèi)存，但是在使用完成后卻忘了將其釋放。除了內(nèi)存泄漏以外，在開發(fā)人員自 己管理內(nèi)存的開發(fā)中，緩沖溢出、懸擺指針等其它一些內(nèi)存的問題也時(shí)有發(fā)生。

問題緣何產(chǎn)生

為了讓程序能夠處理在編譯時(shí)無法預(yù)知 的數(shù)據(jù)占用內(nèi)存的大小，所以程序必需要從操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)地申請(qǐng)內(nèi)存，這就是所謂的動(dòng)態(tài)內(nèi)存。這時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)程序申請(qǐng)到內(nèi)存塊并且使用完成后，沒有將其歸還 給操作系統(tǒng)的錯(cuò)誤。更糟的情況是所獲取的內(nèi)存塊的地址丟失，從而系統(tǒng)無法繼續(xù)識(shí)別、定位該內(nèi)存塊。還有其它的問題，比如試圖訪問已經(jīng)釋放的指針(懸擺指 針)，再如訪問已經(jīng)被使用了的內(nèi)存(內(nèi)存溢出)的問題。

后果不容忽視

對(duì)于那些不常駐內(nèi)存的程序來說，由于執(zhí)行過程很短，所以 即使有漏洞可能也不會(huì)導(dǎo)致特別嚴(yán)重的后果。不過對(duì)于一些常駐內(nèi)存的程序(比如Web服務(wù)器Apache)來說，如果出現(xiàn)這樣的問題，后果將非常嚴(yán)重。因?yàn)?有問題的程序會(huì)不斷地向系統(tǒng)申請(qǐng)內(nèi)存，并且不釋放內(nèi)存，最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存耗盡而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。此外，存在內(nèi)存泄漏問題的程序除了會(huì)占用更多的內(nèi)存外， 還會(huì)使程序的性能急劇下降。對(duì)于服務(wù)器而言，如果出現(xiàn)這種情況，即使系統(tǒng)不崩潰，也會(huì)嚴(yán)重影響使用。

懸擺指針會(huì)導(dǎo)致一些潛在的隱患，并且 這些隱患不容易暴發(fā)。它非常不明顯，因此很難被發(fā)現(xiàn)。在這三種存在的問題形式中，緩沖溢出可能是最危險(xiǎn)的。事實(shí)上，它可能會(huì)導(dǎo)致很多安全性方面的問題(一 個(gè)安全的程序包含很多要素，但是最重要的莫過于小心使用內(nèi)存)。正如上面所述，有時(shí)也會(huì)發(fā)生同一內(nèi)存塊被多次返還給系統(tǒng)的問題，這顯然也是程序設(shè)計(jì)上的錯(cuò) 誤。一個(gè)程序員非常希望知道在程序運(yùn)行的過程中，使用內(nèi)存的情況，從而能夠發(fā)現(xiàn)并且修正問題。

如何處理

現(xiàn)在已經(jīng)有了一些實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)內(nèi)存問題的技術(shù)。內(nèi)存泄漏問題可以通過定時(shí)地終止和重啟有問題的程序來發(fā)現(xiàn)和解決。在比較新的Linux內(nèi)核版本中，有一種名為OOM(Out Of Memory )殺手的算法，它可以在必要時(shí)選擇執(zhí)行Killed等程序。懸擺指針可以通過定期對(duì)所有已經(jīng)返還給系統(tǒng)的內(nèi)存置零來解決。解決內(nèi)存溢出問題的方法則多種多 樣。

事實(shí)上，在程序運(yùn)行時(shí)來解決這些問題，顯然要麻煩得多，所以我們希望能夠在開發(fā)程序時(shí)就發(fā)現(xiàn)并解決這些問題。下面介紹一些可用的自由軟件。

工具一：垃圾回收器(GC)

在GCC(下載)工具包中，有一個(gè)“垃圾回收器(GC)”，它可以輕松檢測(cè)并且修正很多的內(nèi)存問題。目前該項(xiàng)目由HP的Hans-J.Boehm負(fù)責(zé)。

使用的技術(shù)

GC使用的是名為Boehm-Demers-Weiser的可以持續(xù)跟蹤內(nèi)存定位的技術(shù)。它的算法通過使用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存定位函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。程序使用這些函數(shù) 進(jìn)行編譯，然后執(zhí)行，算法就會(huì)分析程序的操作。該算法非常著名并且比較容易理解，不會(huì)導(dǎo)致問題或者對(duì)程序有任何干擾。

性能

該工具有很好的性能，故可以有效提高程序效率。其代碼非常少并且可以直接在GCC中使用。

該工具沒有界面，使用起來比較困難，所以要想掌握它還是要花一些工夫的。一些現(xiàn)有的程序很有可能無法使用這個(gè)編輯器進(jìn)行配置。此外，為了讓所有的調(diào)用能 被捕獲，所有的內(nèi)存調(diào)用(比如malloc()和free())都必須要使用由GC提供的相應(yīng)函數(shù)來代替。我們也可以使用宏來完成這一工作，但還是覺得不 夠靈活。

結(jié)論

如果你希望能夠有跨平臺(tái)(體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng))的解決方案，那么就是它了。

工具二：Memprof

Memprof（下載）是一個(gè)非常具有吸引力且非常易于使用的軟件，它由Red Hat的Owen Talyor創(chuàng)立。這個(gè)工具是用于GNOME前端的Boehm-Demers-Weiser垃圾回收器。

使用的技術(shù)

就其核心技術(shù)來說，Memprof和上面提到的GC沒有什么本質(zhì)的不同。不過在實(shí)現(xiàn)這一功能時(shí)，它是從程序中捕獲所有的內(nèi)存請(qǐng)示并且實(shí)時(shí)將其重定位到垃圾回收器。

性能

該工具的性能非常不錯(cuò)，其GUI設(shè)計(jì)得也不錯(cuò)(如圖1所示)。這個(gè)工具直接就可以執(zhí)行，并且其工作起來無需對(duì)源代碼進(jìn)行任何修改。在程序執(zhí)行時(shí)，這個(gè)工具會(huì)以圖形化的方式顯示內(nèi)存的使用情況，以幫助你了解程序運(yùn)行過程中內(nèi)存的申請(qǐng)情況。

圖1 Memprof的GUI

該工具目前只能運(yùn)行于x86和PPC體系結(jié)構(gòu)之上的Linux系統(tǒng)之中。如果你需要用于其它的平臺(tái)，應(yīng)該想想使用其它的工具。該工具不是GTK應(yīng)用程 序，所以需要一個(gè)完整的GNOME環(huán)境。這樣就使得其不能靈活用于所有的地方。此外，該工具的開發(fā)工作進(jìn)展得也比較緩慢(現(xiàn)在是0.4.1版)。

結(jié)論

如果你喜歡GUI工具并且不介意只能用于Linux以及GNOME之下，該工具應(yīng)該可以說是非常不錯(cuò)。