内存泄漏

2019-12-13 本文已影响0人 ninedreams

内存问题的可能情况

内存泄漏（memory leak）指由于疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存。内存泄漏并非指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，由于设计错误，导致在释放该段内存之前就失去了对该段内存的控制，从而造成了内存的浪费。这样一直的内存泄漏下去，最后会导致机器的内存不足。在最糟糕的情况下，过多的可用内存被分配掉导致全部或部分设备停止正常工作，或者应用程序崩溃。

内存溢出（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integer,但给它存了long才能存下的数，那就是内存溢出。不同的编程语言，对内存溢出的处理也不一样。在某些情况下，可能直接导致程序异常或者崩溃。在另外一些情况下，可能是程序无法正常运行，或者性能下降。

内存越界 是指向系统申请一块内存后，使用时却超出申请范围。比如一些操作内存的函数：sprintf、strcpy、strcat、vsprintf、memcpy、memset、memmove。当造成内存泄漏的代码运行时，所带来的错误是无法避免的，通常会造成
1.破坏了堆中内存内存分配信息数据
2.破坏了程序其他对象的内存空间
3.破坏了空闲内存块

缓冲区溢出（栈溢出）指程序为了临时存取数据的需要，一般会分配一些内存空间称为缓冲区。如果向缓冲区中写入缓冲区无法容纳的数据，机会造成缓冲区以外的存储单元被改写，称为缓冲区溢出。而栈溢出是缓冲区溢出的一种，原理也是相同的。分为上溢出和下溢出。其中，上溢出是指栈满而又向其增加新的数据，导致数据溢出；下溢出是指空栈而又进行删除操作等，导致空间溢出。

内存泄漏分类

常发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏。
偶发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要。
一次性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，导致总会有一块仅且一块内存发生泄漏。比如，在类的构造函数中分配内存，在析构函数中却没有释放该内存，所以内存泄漏只会发生一次。
隐式内存泄漏。程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏。

用户感知

从有计算机开始，就有内存的的存在，使用好内存对成为一个优秀的软件工程师至关重要。

但是从用户使用程序的角度来看，内存泄漏本身不会产生什么危害，作为一般的用户，根本感觉不到内存泄漏的存在。我们平时使用的PC或者MAC，或者应用程序即使存在内存泄漏，基本也不会有感知，普通用户根本不会长时间去使用一个应用程序。但是长时间的使用操作系统是非常有可能的，在以前的Windows系统，经常性的蓝屏，问题多数就跟内存的管理使用有关，尤其是内存泄漏的问题多。

真正有危害的是内存泄漏的堆积，这会最终消耗尽系统所有的内存。从这个角度来说，一次性内存泄漏并没有什么危害，因为它不会堆积，而隐式内存泄漏危害性则非常大，因为较之于常发性和偶发性内存泄漏它更难被检测到。

解决方案与预防

最简单的内存泄漏

如下的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void foo() {
    char *p = (char*) malloc(10);
    p[0] = 'a';
    printf("%s \n", p);
}

int main(int argc, char** argv) {
    foo();
    return 0;
}

这段代码看着没什么问题，申请的内存没有free掉，但是程序退出的时候会自动回收。确实是这样子，但是如果调用foo()函数的是线程，每一个线程都这样只申请内存不释放内存，那么每开一次新的线程就会申请一次内存，最后内存就会不断的攀升，最后吃完机器的内存。这是非常的明显的例子，这样的错误一般是不应该发生的，只需要由如下的编码习惯：

malloc和free函数配对使用，一个malloc对应一个free
new和delete或delete[]配对使用

那么申请的内存就会释放，可以避免掉这种简单错误。

C语言函数库一些不安全的函数

如下代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char** argv) {
    char* dst = "hello";
    const char* src = "Hi world";
    char* p = strcpy(dst, src);
    printf("%s \n", p);
    printf("%s \n", dst);
    return 0;
}

这段代码显然是有问题的，编译结果后，运行直接出错，不会有任何结果。

C和C++不能够自动地做边界检查，边界检查的代价是效率，于是常常就出现了越界的行为。一般来讲，C 在大多数情况下注重效率。然而，获得效率的代价是，C 程序员必须十分警觉以避免缓冲区溢出问题。而且这种行为往往是C语言未定义（Undefined Behavior）的行为，具体怎么处理，还得看编译器的脸色。

C语言标准库中的许多字符串处理和IO流读取函数是导致缓冲区溢出的罪魁祸首。我们有必要了解这些函数，在编程中多加小心。如下列出一些不安全的函数：

strcpy()
strcat()
sprintf()、vsprintf() 
gets()
getchar()、fgetc()、getc()、read()
scanf()、sscanf()、fscanf()、vfscanf()、vscanf()、vsscanf()
getenv()

以上的这些函数现在基本都有安全替代的版本，建议大家都使用安全替代版本。

内存泄漏检测工具

在一般的小型项目到还好，基本的问题都能在写代码的时候察觉。但是在大规模项目上，一个人要管理编写的代码可能上万行，还要与同事分工合作，不太可能一行一行的代码检查。所以机智的前人们早就开发了一些好用的内存检测工具，虽然这些内存检测工具不能把所有的问题都检测出来，但是常见的问题都是没问题。

valgrind内存检测工具集

Valgrind通常用来成分析程序性能及程序中的内存泄露错误，他是一套工具集。

1、memcheck：检查程序中的内存问题，如泄漏、越界、非法指针等。
2、callgrind：检测程序代码的运行时间和调用过程，以及分析程序性能。
3、cachegrind：分析CPU的cache命中率、丢失率，用于进行代码优化。
4、helgrind：用于检查多线程程序的竞态条件。
5、massif：堆栈分析器，指示程序中使用了多少堆内存等信息。
6、lackey：
7、nulgrind：

这几个工具的使用是通过命令：valgrind --tool=name 程序名来分别调用的，当不指定tool参数时默认是 --tool=memcheck。更多的详细使用请参考手册。

对以上会出错的代码做检测:
valgrind --leak-check=full --show-reachable=yes --trace-children=yes ./main
结果如下：

==31754== Memcheck, a memory error detector
==31754== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==31754== Using Valgrind-3.13.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==31754== Command: ./main
==31754==
==31754==
==31754== Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV)
==31754==  Bad permissions for mapped region at address 0x108784
==31754==    at 0x4C32E00: strcpy (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==31754==    by 0x1086C1: main (in /home/xingyaoma/main)
==31754==
==31754== HEAP SUMMARY:
==31754==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==31754==   total heap usage: 0 allocs, 0 frees, 0 bytes allocated
==31754==
==31754== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==31754==
==31754== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==31754== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 0 from 0)
Segmentation fault (core dumped)

结果会有许多的显示，按照结果的提示，就可以在代码中去找一些问题了。

在前面的示例中并没有把所有可能内存的问题都列出来，只是其中的一些情况。在实际开发中，配合valgrind工具，我们可以开发出稳定高效可靠的C/C++代码。