浅谈C/C++内存泄漏及其检测工具-2

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　　检测内存泄漏

　　检测内存泄漏的关键是要能截获住对分配内存和内存的函数的调用。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<>。

　　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，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泄漏的内存块的信息，以下两行显示了一块被泄漏的内存块的信息：

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

Data: 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。

　　为了能够知道泄漏的内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。