C++内存泄漏及其检测工具

 

　　检测内存泄漏的关键是要能截获住对分配内存和释放内存的函数的调用。截获住这两个函数，我们就能跟踪每一块内存的生命周期，比如，每当成功的分配一块内存后，就把它的指针加入一个全局的list中；每当释放一块内存，再把它的指针从list中删除。这样，当程序结束的时候，list中剩余的指针就是指向那些没有被释放的内存。这里只是简单的描述了检测内存泄漏的基本原理，详细的算法可以参见Steve Maguire的<<Writing Solid Code>>。

 

　　如果要检测堆内存的泄漏，那么需要截获住malloc/realloc/free和new/delete就可以了（其实new/delete最终也是用malloc/free的，所以只要截获前面一组即可）。对于其他的泄漏，可以采用类似的方法，截获住相应的分配和释放函数。比如，要检测BSTR的泄漏，就需要截获SysAllocString/SysFreeString；要检测HMENU的泄漏，就需要截获CreateMenu/ DestroyMenu。（有的资源的分配函数有多个，释放函数只有一个，比如，SysAllocStringLen也可以用来分配BSTR，这时就需要截获多个分配函数）

 

　　在Windows平台下，检测内存泄漏的工具常用的一般有三种，MS C-Runtime Library内建的检测功能；外挂式的检测工具，诸如，Purify，BoundsChecker等；利用Windows NT自带的Performance Monitor。这三种工具各有优缺点，MS C-Runtime Library虽然功能上较之外挂式的工具要弱，但是它是免费的；Performance Monitor虽然无法标示出发生问题的代码，但是它能检测出隐式的内存泄漏的存在，这是其他两类工具无能为力的地方。

 

　　以下我们详细讨论这三种检测工具：

 

　　VC下内存泄漏的检测方法

 

　　用MFC开发的应用程序，在DEBUG版模式下编译后，都会自动加入内存泄漏的检测代码。在程序结束后，如果发生了内存泄漏，在Debug窗口中会显示出所有发生易做图存块的信息，以下两行显示了一块被易做图存块的信息：

 

E:\TestMemLeak\TestDlg.cpp(70) : {59} normal block at 0x00881710, 200 bytes long.

 

Data: <abcdefghijklmnop> 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6A 6B 6C 6D 6E 6F 70

 

　　第一行显示该内存块由TestDlg.cpp文件，第70行代码分配，地址在0x00881710，大小为200字节，{59}是指调用内存分配函数的Request Order，关于它的详细信息可以参见MSDN中_CrtSetBreakAlloc()的帮助。第二行显示该内存块前16个字节的内容，尖括号内是以ASCII方式显示，接着的是以16进制方式显示。

 

　　一般大家都误以为这些内存泄漏的检测功能是由MFC提供的，其实不然。MFC只是封装和利用了MS C-Runtime Library的Debug Function。非MFC程序也可以利用MS C-Runtime Library的Debug Function加入内存泄漏的检测功能。MS C-Runtime Library在实现malloc/free，strdup等函数时已经内建了内存泄漏的检测功能。

 

　　注意观察一下由MFC Application Wizard生成的项目，在每一个cpp文件的头部都有这样一段宏定义：

 

#ifdef _DEBUG

#define new DEBUG_NEW

#undef THIS_FILE

static char THIS_FILE[] = __FILE__;

#endif

　　有了这样的定义，在编译DEBUG版时，出现在这个cpp文件中的所有new都被替换成DEBUG_NEW了。那么DEBUG_NEW是什么呢？DEBUG_NEW也是一个宏，以下摘自afx.h，1632行

 

#define DEBUG_NEW new(THIS_FILE, __LINE__)

　　所以如果有这样一行代码：

 

char* p = new char[200];

　　经过宏替换就变成了：

 

char* p = new( THIS_FILE, __LINE__)char[200];

　　根据C++的标准，对于以上的new的使用方法，编译器会去找这样定义的operator new：

 

void* operator new(size_t, LPCSTR, int)

　　我们在afxmem.cpp 63行找到了一个这样的operator new 的实现

 

void* AFX_CDECL operator new(size_t nSize, LPCSTR lpszFileName, int nLine)

{

　return ::operator new(nSize, _NORMAL_BLOCK, lpszFileName, nLine);

}

 

void* __cdecl operator new(size_t nSize, int nType, LPCSTR lpszFileName, int nLine)

{

　…

　pResult = _malloc_dbg(nSize, nType, lpszFileName, nLine);

　if (pResult != NULL)

　　return pResult;

　…

}

　　第二个operator new函数比较长，为了简单期间，我只摘录了部分。很显然最后的内存分配还是通过_malloc_dbg函数实现的，这个函数属于MS C-Runtime Library 的Debug Function。这个函数不但要求传入内存的大小，另外还有文件名和行号两个参数。文件名和行号就是用来记录此次分配是由哪一段代码造成的。如果这块内存在程序结束之前没有被释放，那么这些信息就会输出到Debug窗口里。

 

　　这里顺便提一下THIS_FILE，__FILE和__LINE__。__FILE__和__LINE__都是编译器定义的宏。当碰到__FILE__时，编译器会把__FILE__替换成一个字符串，这个字符串就是当前在编译的文件的路径名。当碰到__LINE__时，编译器会把__LINE__替换成一个数字，这个数字就是当前这行代码的行号。在DEBUG_NEW的定义中没有直接使用__FILE__，而是用了THIS_FILE，其目的是为了减小目标文件的大小。假设在某个cpp文件中有100处使用了new，如果直接使用__FILE__，那编译器会产生100个常量字符串，这100个字符串都是飧?/SPAN>cpp文件的路径名，显然十分冗余。如果使用THIS_FILE，编译器只会产生一个常量字符串，那100处new的调用使用的都是指向常量字符串的指针。

 

　　再次观察一下由MFC Application Wizard生成的项目，我们会发现在cpp文件中只对new做了映射，如果你在程序中直接使用malloc函数分配内存，调用malloc的文件名和行号是不会被记录下来的。如果这块内存发生了泄漏，MS C-Runtime Library仍然能检测到，但是当输出这块内存块的信息，不会包含分配它的的文件名和行号。

 

　　要在非MFC程序中打开内存泄漏的检测功能非常容易，你只要在程序的入口处加入以下几行代码：

 

int tmpFlag = _CrtSetDbgFlag( _CRTDBG_REPORT_FLAG );

 

tmpFlag |= _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF;

 

_CrtSetDbgFlag( tmpFlag );

　　这样，在程序结束的时候，也就是winmain，main或dllmain函数返回之后，如果还有内存块没有释放，它们的信息会被打印到Debug窗口里。

 

　　如果你试着创建了一个非MFC应用程序，而且在程序的入口处加入了以上代码，并且故意在程序中不释放某些内存块，你会在Debug窗口里看到以下的信息：

 

{47} normal block at 0x00C91C90, 200 bytes long.

 

Data: < > 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

 

　　内存泄漏的确检测到了，但是和上面MFC程序的例子相比，缺少了文件名和行号。对于一个比较大的程序，没有这些信息，解决问题将变得十分困难。

 

　　为了能够知道易做图存块是在哪里分配的，你需要实现类似MFC的映射功能，把new，maolloc等函数映射到_malloc_dbg函数上。这里我不再赘述，你可以参考MFC的源代码。

 

　　由于Debug Function实现在MS C-RuntimeLibrary中，所以它只能检测到堆内存的泄漏，而且只限于malloc，realloc或strdup等分配的内存，而那些系统资源，比如HANDLE，GDI Object，或是不通过C-Runtime Library分配的内存，比如VARIANT，BSTR的泄漏，它是无法检测到的，这是这种检测法的一个重大的局限性。另外，为了能记录内存块是在哪里分配的，源代码必须相应的配合，这在调试一些老的程序非常麻烦，毕竟修改源代码不是一件省心的事，这是这种检测法的另一个局限性。

 

　　对于开发一个大型的程序，MS C-Runtime Library提供的检测功能是远远不够的。接下来我们就看看外挂式的检测工具。我用的比较多的是BoundsChecker，一则因为它的功能比较全面，更重要的是它的稳定性。这类工具如果不稳定，反而会忙里添乱。到底是出自鼎鼎大名的NuMega，我用下来基本上没有什么大问题。

 

 

使用BoundsChecker检测内存泄漏：

 

　　BoundsChecker采用一种被称为 Code Injection的技术，来截获对分配内存和释放内存的函数的调用。简单地说，当你的程序开始运行时，BoundsChecker的DLL被自动载入进程的地址空间（这可以通过system-level的Hook实现），然后它会修改进程中对内存分配和释放的函数调用，让这些调用首先转入它的代码，然后再执行原来的代码。BoundsChecker在做这些动作的时，无须修改被调试程序的源代码或工程配置文件，这使得使用它非常的简便、直接。

 

　　这里我们以malloc函数为例，截获其他的函数方法与此类似。

 

　　需要被截获的函数可能在DLL中，也可能在程序的代码里。比如，如果静态连

补充：软件开发 , C++ ,