内存泄漏如何避免

科技绿洲 2023-11-10 749

描述

1. 内存溢出

内存溢出 OOM （out of memory），是指程序在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用，出现out of memory；比如申请了一个int,但给它存了long才能存下的数，那就是内存溢出。

2. 内存泄漏

内存泄露 memory leak，是指程序在申请内存后，无法释放已申请的内存空间，一次内存泄露危害可以忽略，但内存泄露堆积后果很严重，无论多少内存,迟早会被占光。最终的结果就是导致OOM。

内存泄漏是指你向系统申请分配内存进行使用(new)，可是使用完了以后却不归还(delete)，结果你申请到的那块内存你自己也不能再访问（也许你把它的地址给弄丢了），而系统也不能再次将它分配给需要的程序。

3. 造成内存泄露常见的三种情况

1，指针重新赋值

2，错误的内存释放

3，返回值的不正确处理

3.1 指针重新赋值

如下代码：

char * p = (char *)malloc(10);
char * np = (char *)malloc(10);

其中，指针变量 p 和 np 分别被分配了 10 个字节的内存。

如果程序需要执行如下赋值语句：

p=np;

这时候，指针变量 p 被 np 指针重新赋值，其结果是 p 以前所指向的内存位置变成了孤立的内存。它无法释放，因为没有指向该位置的引用，从而导致 10 字节的内存泄漏。

因此，在对指针赋值前，一定确保内存位置不会变为孤立的。

类似的情况，连续重复new的情况也是类似：

int *p = new int;
p = new int...;//错误

3.2 错误的内存释放

假设有一个指针变量 p，它指向一个 10 字节的内存位置。该内存位置的第三个字节又指向某个动态分配的 10 字节的内存位置。

如果程序需要执行如下赋值语句时：

free(p);

很显然，如果通过调用 free 来释放指针 p，则 np 指针也会因此而变得无效。np 以前所指向的内存位置也无法释放，因为已经没有指向该位置的指针。换句话说，np 所指向的内存位置变为孤立的，从而导致内存泄漏。

因此，每当释放结构化的元素，而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针时，应首先遍历子内存位置（如本示例中的 np），并从那里开始释放，然后再遍历回父节点，如下面的代码所示：

free(p->np);
free(p);

3.3 返回值的不正确处理

有时候，某些函数会返回对动态分配的内存的引用，如下面的示例代码所示：

char *f(){
return (char *)malloc(10);
}
void f1(){
f();
}

函数 f1 中对 f 函数的调用并未处理该内存位置的返回地址，其结果将导致 f 函数所分配的 10 个字节的块丢失，并导致内存泄漏。

4 在内存分配后忘记使用 free 进行释放

4. 如何避免内存泄露？

确保没有在访问空指针。
每个内存分配函数都应该有一个 free 函数与之对应，alloca 函数除外。
每次分配内存之后都应该及时进行初始化，可以结合 memset 函数进行初始化，calloc 函数除外。
每当向指针写入值时，都要确保对可用字节数和所写入的字节数进行交叉核对。
在对指针赋值前，一定要确保没有内存位置会变为孤立的。
每当释放结构化的元素（而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针）时，都应先遍历子内存位置并从那里开始释放，然后再遍历回父节点。
始终正确处理返回动态分配的内存引用的函数返回值。

5.定位内存泄漏（valgrind）（重点）

5.1、基本概念

Valgrind是一个GPL的软件，用于Linux（For x86, amd64 and ppc32）程序的内存调试和代码剖析。你可以在它的环境中运行你的程序来监视内存的使用情况，比如C 语言中的malloc和free或者 C++中的new和 delete。使用Valgrind的工具包，你可以自动的检测许多内存管理和线程的bug，避免花费太多的时间在bug寻找上，使得你的程序更加稳固。

安装Valgrind

//valgrind下载：
http://valgrind.org/downloads/valgrind-3.12.0.tar.bz2

valgrind安装：
1. tar -jxvf valgrind-3.12.0.tar.bz2
2. cd valgrind-3.12.0
3. ./configure
4. make
5. sudo make install

应用环境：Linux

编程语言：C/C++

使用方法：编译时加上-g选项，如 gcc -g filename.c -o filename,使用如下命令检测内存使用情况：

最常用的命令格式：
valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./test

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full --show-reachable=yes --trace-children=yes ./filename

其中--leak-check=full指的是完全检查内存泄漏，--show-reachable=yes是显示内存泄漏的地点，--trace-children=yes是跟入子进程。

如果您的程序是会正常退出的程序，那么当程序退出的时候valgrind自然会输出内存泄漏的信息。如果您的程序是个守护进程，那么也不要紧，我们只要在别的终端下杀死memcheck进程（因为valgrind默认使用memcheck工具，就是默认参数--tools=memcheck）

参数选择

-tool= 最常用的选项。运行 valgrind中名为toolname的工具。默认memcheck。
memcheck ------> 这是valgrind应用最广泛的工具，一个重量级的内存检查器，能够发现开发中绝大多数内存错误使用情况，比如：使用未初始化的内存，使用已经释放了的内存，内存访问越界等。
callgrind ------> 它主要用来检查程序中函数调用过程中出现的问题。
cachegrind ------> 它主要用来检查程序中缓存使用出现的问题。
helgrind ------> 它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。
massif ------> 它主要用来检查程序中堆栈使用中出现的问题。
extension ------> 可以利用core提供的功能，自己编写特定的内存调试工具
-h –help 显示帮助信息。
-version 显示valgrind内核的版本，每个工具都有各自的版本。
-q –quiet 安静地运行，只打印错误信息。
-v –verbose 更详细的信息, 增加错误数统计。
-trace-children=no|yes 跟踪子线程? [default: no]
-track-fds=no|yes 跟踪打开的文件描述？[default: no]
-time-stamp=no|yes 增加时间戳到LOG信息? [default: no]
-log-fd= 输出LOG到描述符文件 [2=stderr]
-log-file= 将输出的信息写入到filename.PID的文件里，PID是运行程序的进行ID
-log-file-exactly= 输出LOG信息到 file
-log-file-qualifier=取得环境变量的值来做为输出信息的文件名。[none] -log-socket=ipaddr:port 输出LOG到socket ，ipaddr:port LOG信息输出 -xml=yes 将信息以xml格式输出，只有memcheck可用 -num-callers= show callers in stack traces [12] -error-limit=no|yes 如果太多错误，则停止显示新错误? [yes] -error-exitcode= 如果发现错误则返回错误代码 [0=disable] -db-attach=no|yes 当出现错误，valgrind会自动启动调试器gdb。[no] -db-command= 启动调试器的命令行选项[gdb -nw %f %p]

设计思路：根据软件的内存操作维护一个有效地址空间表和无效地址空间表（进程的地址空间）

5.2、多个工具

1、Memcheck

最常用的工具，用来检测程序中出现的内存问题，所有对内存的读写都会被检测到，一切对malloc()/free()/new/delete的调用都会被捕获。所以，Memcheck 工具主要检查下面的程序错误

能够检测：

使用未初始化的内存 (Use of uninitialised memory)
使用已经释放了的内存 (Reading/writing memory after it has been free’d)
使用超过 malloc分配的内存空间(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)
对堆栈的非法访问 (Reading/writing inappropriate areas on the stack)
申请的空间是否有释放 (Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)
malloc/free/new/delete申请和释放内存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])
src和dst的重叠(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)
重复free

Callgrind

和gprof类似的分析工具，但它对程序的运行观察更是入微，能给我们提供更多的信息。和gprof不同，它不需要在编译源代码时附加特殊选项，但加上调试选项是推荐的。Callgrind收集程序运行时的一些数据，建立函数调用关系图，还可以有选择地进行cache模拟。在运行结束时，它会把分析数据写入一个文件。callgrind_annotate可以把这个文件的内容转化成可读的形式。

Cachegrind

Cache分析器，它模拟CPU中的一级缓存I1，Dl和二级缓存，能够精确地指出程序中cache的丢失和命中。如果需要，它还能够为我们提供cache丢失次数，内存引用次数，以及每行代码，每个函数，每个模块，整个程序产生的指令数。这对优化程序有很大的帮助。

Helgrind

它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。Helgrind寻找内存中被多个线程访问，而又没有一贯加锁的区域，这些区域往往是线程之间失去同步的地方，而且会导致难以发掘的错误。Helgrind实现了名为“Eraser”的竞争检测算法，并做了进一步改进，减少了报告错误的次数。不过，Helgrind仍然处于实验阶段。

Massif

堆栈分析器，它能测量程序在堆栈中使用了多少内存，告诉我们堆块，堆管理块和栈的大小。Massif能帮助我们减少内存的使用，在带有虚拟内存的现代系统中，它还能够加速我们程序的运行，减少程序停留在交换区中的几率。

5.3、使用原理

Memcheck 能够检测出内存问题，关键在于其建立了两个全局表。

1、Valid-Value 表：

对于进程的整个地址空间中的每一个字节(byte)，都有与之对应的 8 个 bits；对于 CPU 的每个寄存器，也有一个与之对应的 bit 向量。这些 bits 负责记录该字节或者寄存器值是否具有有效的、已初始化的值。

2、Valid-Address 表

对于进程整个地址空间中的每一个字节(byte)，还有与之对应的 1 个 bit，负责记录该地址是否能够被读写。

检测原理：

当要读写内存中某个字节时，首先检查这个字节对应的 A bit。如果该A bit显示该位置是无效位置，memcheck 则报告读写错误。
内核（core）类似于一个虚拟的 CPU 环境，这样当内存中的某个字节被加载到真实的 CPU 中时，该字节对应的 V bit也被加载到虚拟的 CPU 环境中。一旦寄存器中的值，被用来产生内存地址，或者该值能够影响程序输出，则 memcheck 会检查对应的V bits，如果该值尚未初始化，则会报告使用未初始化内存错误。

5.4、具体使用