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搞定Linux下 C++內(nèi)存泄漏,看這篇就夠!

系統(tǒng) Linux
在Linux系統(tǒng)中,內(nèi)存泄漏就像是一個悄無聲息的殺手,慢慢侵蝕著系統(tǒng)的資源。簡單來說,內(nèi)存泄漏是指程序在申請內(nèi)存后,當(dāng)該內(nèi)存不再被使用時,卻沒有將其釋放回系統(tǒng) ,導(dǎo)致這部分內(nèi)存一直被占用,無法被其他程序使用。

內(nèi)存泄漏是 Linux 下 C++ 編程中不容忽視的問題,它可能悄無聲息地侵蝕程序的性能,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。通過深入理解內(nèi)存泄漏的原理,我們知道了它是如何在手動內(nèi)存管理的過程中產(chǎn)生的,這為我們預(yù)防和解決問題奠定了基礎(chǔ)。

在檢測內(nèi)存泄漏方面,Valgrind、AddressSanitizer 和 mtrace 等工具為我們提供了強(qiáng)大的支持。Valgrind 以其全面的檢測能力和詳細(xì)的報告,成為內(nèi)存檢測的首選工具之一;AddressSanitizer 則憑借編譯器級別的集成,讓檢測變得更加便捷高效;mtrace 雖相對簡單,但在特定場景下也能發(fā)揮重要作用。這些工具就像我們的 “火眼金睛”,幫助我們揪出隱藏在代碼深處的內(nèi)存泄漏問題。接下來,就讓我們深入探索 Linux 下 C++ 內(nèi)存泄漏的相關(guān)知識。

一、內(nèi)存泄漏是什么?

在Linux系統(tǒng)中,內(nèi)存泄漏就像是一個悄無聲息的殺手,慢慢侵蝕著系統(tǒng)的資源。簡單來說,內(nèi)存泄漏是指程序在申請內(nèi)存后,當(dāng)該內(nèi)存不再被使用時,卻沒有將其釋放回系統(tǒng) ,導(dǎo)致這部分內(nèi)存一直被占用,無法被其他程序使用。就好比你向圖書館借了一本書,看完后卻不歸還,隨著時間推移,越來越多的人借書不還,圖書館的書就會越來越少,可供其他人借閱的資源也就越來越稀缺。

在嵌入式系統(tǒng)里,內(nèi)存資源本就十分有限,內(nèi)存泄漏帶來的后果往往更加嚴(yán)重。每一次內(nèi)存泄漏,都像是從系統(tǒng)的 “內(nèi)存儲備庫” 中偷走了一部分資源,隨著泄漏的不斷積累,系統(tǒng)可用內(nèi)存越來越少。這會導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁進(jìn)行內(nèi)存交換操作,從磁盤的虛擬內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù),而磁盤的讀寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于內(nèi)存,從而使得系統(tǒng)性能急劇下降,響應(yīng)變得遲緩,原本流暢運(yùn)行的程序可能變得卡頓甚至無響應(yīng)。當(dāng)內(nèi)存泄漏嚴(yán)重到一定程度,系統(tǒng)再也無法分配到足夠的內(nèi)存來滿足正常的運(yùn)行需求,就如同水庫干涸,無法為下游提供足夠的水源,系統(tǒng)便會陷入崩潰,造成無人機(jī)飛行異常、工業(yè)控制設(shè)備故障等嚴(yán)重問題。

1.1內(nèi)存占用過大為什么?

內(nèi)存占用過大的原因可能有很多,以下是一些常見的情況:

  1. 內(nèi)存泄漏:當(dāng)程序在運(yùn)行時動態(tài)分配了內(nèi)存但未正確釋放時,會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。這意味著那部分內(nèi)存將無法再被其他代碼使用,最終導(dǎo)致內(nèi)存占用增加。
  2. 頻繁的動態(tài)內(nèi)存分配和釋放:如果程序中頻繁進(jìn)行大量的動態(tài)內(nèi)存分配和釋放操作,可能會導(dǎo)致內(nèi)存碎片化問題。這樣系統(tǒng)將難以有效地管理可用的物理內(nèi)存空間。
  3. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法選擇不當(dāng):某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法可能對特定場景具有較高的空間復(fù)雜度,從而導(dǎo)致內(nèi)存占用過大。在設(shè)計(jì)和選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法時應(yīng)綜合考慮時間效率和空間效率。
  4. 緩存未及時清理:如果程序中使用了緩存機(jī)制,并且沒有及時清理或管理緩存大小,就會導(dǎo)致緩存占用過多的內(nèi)存空間。
  5. 高并發(fā)環(huán)境下資源競爭:在高并發(fā)環(huán)境下,多個線程同時訪問共享資源(包括對內(nèi)存的申請和釋放)可能引發(fā)資源競爭問題。若沒有適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制或鎖策略,可能導(dǎo)致內(nèi)存占用過大。
  6. 第三方庫或框架問題:使用的第三方庫或框架可能存在內(nèi)存管理不當(dāng)、內(nèi)存泄漏等問題,從而導(dǎo)致整體程序的內(nèi)存占用過大。

1.2內(nèi)存泄露和內(nèi)存占用過大區(qū)別?

內(nèi)存泄漏指的是在程序運(yùn)行過程中,動態(tài)分配的內(nèi)存空間沒有被正確釋放,導(dǎo)致這些內(nèi)存無法再被其他代碼使用。每次發(fā)生內(nèi)存泄漏時,系統(tǒng)可用的物理內(nèi)存空間就會減少一部分,最終導(dǎo)致整體的內(nèi)存占用量增加。

而內(nèi)存占用過大則是指程序在運(yùn)行時所消耗的物理內(nèi)存超出了合理范圍或預(yù)期值。除了因?yàn)閮?nèi)存泄漏導(dǎo)致的額外占用外,其他原因如頻繁的動態(tài)內(nèi)存分配和釋放、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法選擇不當(dāng)、緩存管理問題等都可能導(dǎo)致程序的內(nèi)存占用過大。

可以說,內(nèi)存在被正確管理和使用時,即使有一定程度的動態(tài)分配和釋放操作,也不會造成明顯的長期累積效應(yīng),即不會出現(xiàn)持續(xù)性的內(nèi)存占用過大情況。而如果存在未及時釋放或回收的資源(即發(fā)生了內(nèi)存泄漏),隨著時間推移會逐漸積累并導(dǎo)致整體的內(nèi)存占用越來越高。

因此,在排查和解決內(nèi)存占用過大問題時,需要注意是否存在內(nèi)存泄漏,并且還需綜合考慮其他可能導(dǎo)致內(nèi)存占用過大的因素。

1.3產(chǎn)生的原因

我們在進(jìn)行程序開發(fā)的過程使用動態(tài)存儲變量時,不可避免地面對內(nèi)存管理的問題。程序中動態(tài)分配的存儲空間,在程序執(zhí)行完畢后需要進(jìn)行釋放。沒有釋放動態(tài)分配的存儲空間而造成內(nèi)存泄漏,是使用動態(tài)存儲變量的主要問題。

一般情況下,作為開發(fā)人員會經(jīng)常使用系統(tǒng)提供的內(nèi)存管理基本函數(shù),如malloc、realloc、calloc、free等,完成動態(tài)存儲變量存儲空間的分配和釋放。但是,當(dāng)開發(fā)程序中使用動態(tài)存儲變量較多和頻繁使用函數(shù)調(diào)用時,就會經(jīng)常發(fā)生內(nèi)存管理錯誤。

二、內(nèi)存泄漏的原理剖析

2.1 C++ 內(nèi)存管理機(jī)制

在 C++ 中,內(nèi)存主要分為棧內(nèi)存和堆內(nèi)存。棧內(nèi)存由編譯器自動管理,主要用于存儲函數(shù)的局部變量、函數(shù)參數(shù)等。當(dāng)函數(shù)被調(diào)用時,棧內(nèi)存會為這些變量分配空間,函數(shù)結(jié)束時,這些變量所占用的棧內(nèi)存會自動被釋放。例如:

void stackMemoryExample() {
    int a = 10; // 局部變量a存儲在棧內(nèi)存中
    // 函數(shù)執(zhí)行到這里時,a占用棧內(nèi)存
} // 函數(shù)結(jié)束,a的棧內(nèi)存自動釋放

棧內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)是分配和釋放速度快,因?yàn)樗牟僮黝愃朴跀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧,遵循后進(jìn)先出(LIFO)的原則。然而,棧內(nèi)存的大小是有限的,一般在幾 MB 左右,如果在棧上分配過大的數(shù)組或?qū)ο螅赡軙?dǎo)致棧溢出。

堆內(nèi)存則用于動態(tài)內(nèi)存分配,通常通過new操作符來分配,通過delete操作符來釋放。堆內(nèi)存的大小只受限于系統(tǒng)的可用內(nèi)存,因此可以存儲大量的數(shù)據(jù)。例如:

void heapMemoryExample() {
    int* p = new int(20); // 在堆上分配一個int類型的內(nèi)存空間,并初始化為20
    // 使用p指向的內(nèi)存
    delete p; // 釋放堆內(nèi)存
}

除了new和delete,C 語言中還提供了malloc和free函數(shù)用于動態(tài)內(nèi)存分配和釋放。malloc函數(shù)用于分配指定大小的內(nèi)存塊,返回一個指向該內(nèi)存塊的void*指針,需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換才能使用;free函數(shù)用于釋放malloc分配的內(nèi)存。例如:

void mallocFreeExample() {
    int* p = (int*)malloc(sizeof(int)); // 分配一個int類型大小的內(nèi)存塊
    if (p != nullptr) {
        *p = 30;
        // 使用p指向的內(nèi)存
        free(p); // 釋放內(nèi)存
    }
}

new/delete與malloc/free雖然都能實(shí)現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配,但它們之間存在一些重要區(qū)別。new是 C++ 的運(yùn)算符,malloc是 C 語言的庫函數(shù);new在分配內(nèi)存時會調(diào)用對象的構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化,delete在釋放內(nèi)存時會調(diào)用對象的析構(gòu)函數(shù)進(jìn)行清理,而malloc和free只是單純地分配和釋放內(nèi)存,不會涉及對象的構(gòu)造和析構(gòu)。此外,new分配內(nèi)存失敗時會拋出std::bad_alloc異常,malloc分配失敗時返回NULL(C++11 中為nullptr)。

2.2內(nèi)存泄漏的形成機(jī)制

內(nèi)存泄漏通常是指程序在動態(tài)分配內(nèi)存后,由于某種原因未能釋放已不再使用的內(nèi)存,導(dǎo)致這些內(nèi)存無法被再次利用,從而造成內(nèi)存浪費(fèi)。以下是一些常見的導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的場景:

(1)簡單的內(nèi)存未釋放:最常見的就是直接分配內(nèi)存后忘記釋放。例如:

void simpleLeak() {
    int* ptr = new int;  // 分配了一個int型的內(nèi)存空間
    // 這里使用ptr進(jìn)行一些操作
    // 但最后沒有釋放內(nèi)存,造成內(nèi)存泄漏
}

在這段代碼中,ptr指向一塊新分配的內(nèi)存,然而函數(shù)結(jié)束時,并沒有使用delete ptr來釋放它,這塊內(nèi)存就被泄漏了。

(2)指針重新賦值導(dǎo)致泄漏:當(dāng)指針被重新賦值,而之前指向的內(nèi)存未釋放時,也會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。

void pointerReassignmentLeak() {
    int* ptr = new int(10);  // 分配內(nèi)存并初始化值為10
    ptr = new int(20);  // 重新賦值,之前分配的內(nèi)存丟失,造成泄漏
    delete ptr;  // 這里只能釋放第二次分配的內(nèi)存
}

這里ptr最初指向一塊內(nèi)存,之后重新指向另一塊內(nèi)存,導(dǎo)致第一塊內(nèi)存無法被訪問和釋放,從而泄漏。

(3)數(shù)組內(nèi)存分配與釋放不匹配:在使用new[]分配數(shù)組內(nèi)存時,必須使用delete[]來釋放,否則也會引發(fā)內(nèi)存泄漏。

void arrayLeak() {
    int* arr = new int[10];  // 分配一個包含10個int的數(shù)組
    // 對arr進(jìn)行操作
    delete arr;  // 錯誤!應(yīng)該使用delete[] arr; 造成內(nèi)存泄漏
}

(4)異常情況下的內(nèi)存泄漏:當(dāng)程序在分配內(nèi)存后,執(zhí)行過程中拋出異常,而異常處理機(jī)制沒有正確釋放已分配的內(nèi)存時,也會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

void exceptionLeak() {
    int* ptr = new int;
    try {
        // 這里可能會拋出異常的代碼
        if (someCondition) {
            throw std::exception();
        }
    } catch (...) {
        // 沒有釋放ptr指向的內(nèi)存,造成泄漏
        throw;
    }
}

三、排查內(nèi)存泄漏的工具

工欲善其事,必先利其器。在與內(nèi)存泄漏這場 “持久戰(zhàn)” 中,選擇合適的工具至關(guān)重要。下面我就為大家介紹幾款在 Linux 下排查 C++ 內(nèi)存泄漏的神兵利器。

3.1 Valgrind:Linux 下的內(nèi)存檢測神器

Valgrind 是一款功能強(qiáng)大的開源內(nèi)存檢測工具,它可以在程序運(yùn)行時對內(nèi)存使用情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控,幫助我們發(fā)現(xiàn)潛在的內(nèi)存泄漏、越界訪問等問題。Valgrind 支持多種操作系統(tǒng)和編程語言,包括 C、C++、Java 等,是開發(fā)者進(jìn)行內(nèi)存調(diào)試和性能分析的常用工具之一。

在 Linux 下安裝 Valgrind 也非常簡單,如果你使用的是 Ubuntu 或 Debian 系統(tǒng),只需在終端輸入以下命令:

sudo apt - get install valgrind

對于 CentOS 系統(tǒng),命令則是:

sudo yum install valgrind

安裝完成后,就可以用它來檢測內(nèi)存泄漏了。假設(shè)我們有一個名為test的可執(zhí)行文件,使用 Valgrind 檢測的命令如下:

valgrind --leak - check = full --show - leak - kinds = all./test

這里--leak - check = full表示全面檢查內(nèi)存泄漏,--show - leak - kinds = all會顯示所有類型的內(nèi)存泄漏信息 。運(yùn)行后,Valgrind 會給出一份詳細(xì)的報告,類似這樣:

==12345== Memcheck, a memory error detector
==12345== Copyright (C) 2002 - 2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==12345== Using Valgrind - 3.16.1 and LibVEX; rerun with - h for copyright info
==12345== Command:./test
==12345== 
==12345== HEAP SUMMARY:
==12345==     in use at exit: 20 bytes in 1 blocks
==12345==   total heap usage: 2 allocs, 1 frees, 72,724 bytes allocated
==12345== 
==12345== 20 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==12345==    at 0x483C583: operator new[](unsigned long) (vg_replace_malloc.c:431)
==12345==    by 0x10919E: main (test.cpp:5)
==12345== 
==12345== LEAK SUMMARY:
==12345==    definitely lost: 20 bytes in 1 blocks
==12345==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==12345==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==12345==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==12345==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==12345== 
==12345== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: - s
==12345== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

報告中definitely lost表示確定泄漏的內(nèi)存,后面會給出泄漏發(fā)生的函數(shù)和代碼行號,像這里就明確指出是test.cpp的第 5 行的operator new[]導(dǎo)致了 20 字節(jié)的內(nèi)存泄漏,有了這份報告,定位問題就輕松多了。

3.2 AddressSanitizer(ASan):編譯器級別的內(nèi)存檢測

AddressSanitizer(簡稱 ASan)是 GCC 和 Clang 等編譯器內(nèi)置的內(nèi)存錯誤檢測工具,它可以檢測多種內(nèi)存錯誤,包括內(nèi)存泄漏、堆溢出、棧溢出、使用釋放后的內(nèi)存等。ASan 的優(yōu)勢在于它是在編譯器級別實(shí)現(xiàn)的,因此使用起來非常方便,只需要在編譯時添加相應(yīng)的編譯選項(xiàng)即可。

使用 ASan 非常便捷,只需在編譯時加上特定選項(xiàng)即可啟用。如果使用 GCC 編譯,命令如下:

g++ -fsanitize = address -g -O1 your_code.cpp -o your_program

這里-fsanitize = address是啟用 ASan 的關(guān)鍵選項(xiàng),-g用于生成調(diào)試符號,方便定位問題,-O1是優(yōu)化級別 。Clang 的編譯命令類似:

clang++ -fsanitize = address -g -O1 your_code.cpp -o your_program

當(dāng)運(yùn)行含有內(nèi)存泄漏的程序時,ASan 會毫不留情地報錯,輸出詳細(xì)的錯誤信息,例如:

=================================================================
==1234==ERROR: AddressSanitizer: heap - buffer - overflow on address 0x602000000014 at pc 0x000000400810 bp 0x7ffc779e47d0 sp 0x7ffc779e47c0
WRITE of size 4 at 0x602000000014 thread T0
#0 0x40080c in main /home/user/your_code.cpp:11
#1 0x7f9c6a8cdf38 in __libc_start_call_main../sysdeps/nptl/libc_start_call_main.h:58
#2 0x7f9c6a8ce004 in __libc_start_main_impl../csu/libc - start.c:409
#3 0x4006ac in _start (/home/user/your_program+0x4006ac)
0x602000000014 is located 0 bytes to the right of 20 - byte region [0x602000000000,0x602000000014)
allocated by thread T0 here:
#0 0x7f9c6aa96080 in malloc (/usr/lib64/libasan.so.6+0xa9080)
#1 0x4007b0 in main /home/user/your_code.cpp:10
#2 0x7f9c6a8cdf38 in __libc_start_call_main../sysdeps/nptl/libc_start_call_main.h:58
#3 0x7f9c6a8ce004 in __libc_start_main_impl../csu/libc - start.c:409
#4 0x4006ac in _start (/home/user/your_program+0x4006ac)
SUMMARY: AddressSanitizer: heap - buffer - overflow /home/user/your_code.cpp:11 in main
Shadow bytes around the buggy address:
0x100400000010: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x100400000020: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x100400000030: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x100400000040: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x100400000050: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
=>0x100400000060: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 00 00[04]fa fa fa
0x100400000070: 00 00 00 fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x100400000080: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x100400000090: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x1004000000a0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x1004000000b0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
Shadow byte legend (one shadow byte represents 8 application bytes):
Addressable: 00
Partially addressable: 01 02 03 04 05 06 07
Heap left redzone: fa
Freed heap region: fd
Stack left redzone: f1
Stack mid redzone: f2
Stack right redzone: f3
Stack after return: f5
Stack use after scope: f8
Global redzone: f9
Global init order: f6
Poisoned by user: f7
Container overflow: fc
Array cookie: ac
Intra object redzone: bb
ASan internal: fe
Left alloca redzone: ca
Right alloca redzone: cb
Shadow gap: cc
==1234==ABORTING

從報錯信息中,我們能清晰地看到錯誤類型(如這里的heap - buffer - overflow堆緩沖區(qū)溢出)、出錯的地址、代碼位置(your_code.cpp:11)以及詳細(xì)的調(diào)用棧信息,順著這些線索,就能快速揪出內(nèi)存泄漏的 “元兇” 。

3.3 GDB 調(diào)試器

GDB 調(diào)試器可是 Linux 開發(fā)者的 “老伙計(jì)” 了,它不僅能調(diào)試程序邏輯,結(jié)合內(nèi)存分配鉤子,還能在排查內(nèi)存泄漏時大顯身手,其原理就像是在程序的內(nèi)存分配和釋放過程中設(shè)置了 “觀察點(diǎn)”,通過觀察這些點(diǎn)的狀態(tài)變化,來判斷是否存在內(nèi)存泄漏。

使用 GDB 排查內(nèi)存泄漏,首先要用 GDB 啟動程序:

gdb./your_program

進(jìn)入 GDB 環(huán)境后,可以在程序的關(guān)鍵位置設(shè)置斷點(diǎn),比如main函數(shù)入口:

(gdb) break main

然后運(yùn)行程序:

(gdb) run

程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處暫停后,可以使用next、continue、step等命令單步執(zhí)行或繼續(xù)執(zhí)行程序 。在執(zhí)行過程中,可以檢查變量的值,查看內(nèi)存使用情況。例如,要查看某個指針變量指向的內(nèi)存內(nèi)容,可以使用:

(gdb) p *pointer_variable

還可以通過設(shè)置內(nèi)存分配鉤子函數(shù),在內(nèi)存分配和釋放時打印相關(guān)信息,幫助我們定位內(nèi)存泄漏。比如,在程序中定義如下鉤子函數(shù):

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

void* my_malloc(size_t size) {
    void* ptr = malloc(size);
    printf("Allocated %zu bytes at %p\n", size, ptr);
    return ptr;
}

void my_free(void* ptr) {
    printf("Freeing memory at %p\n", ptr);
    free(ptr);
}

然后在 GDB 中通過設(shè)置環(huán)境變量 MALLOC_HOOK_ 和 FREE_HOOK_來使用這兩個鉤子函數(shù),這樣在程序運(yùn)行時,每次內(nèi)存分配和釋放都會打印出詳細(xì)信息,方便我們追蹤內(nèi)存的使用情況 。

3.4 mtrace:小巧實(shí)用的內(nèi)存追蹤工具

mtrace 是 GNU C 庫(glibc)自帶的內(nèi)存跟蹤組件,它的特點(diǎn)是輕量級,幾乎不影響程序的運(yùn)行速度,適合在嵌入式系統(tǒng)或?qū)π阅芤筝^高的場景中使用。mtrace 通過攔截內(nèi)存分配和釋放函數(shù),建立分配與釋放的映射關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存泄漏的檢測。

使用 mtrace 也不難,首先在代碼中包含<mcheck.h>頭文件,并在合適的位置調(diào)用mtrace和muntrace函數(shù) 。例如:

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

int main() {
    mtrace();  // 開始追蹤內(nèi)存分配
    setenv("MALLOC_TRACE", "trace.log", 1);  // 設(shè)置追蹤日志文件為trace.log

    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    // 其他操作
    // 這里故意不釋放ptr指向的內(nèi)存,制造內(nèi)存泄漏

    muntrace();  // 結(jié)束追蹤
    return 0;
}

編譯運(yùn)行程序后,會在當(dāng)前目錄下生成一個名為trace.log的追蹤日志文件,里面記錄了內(nèi)存分配和釋放的詳細(xì)信息 。我們可以通過分析這個日志文件來查找內(nèi)存泄漏。比如,使用mtrace命令查看日志:

mtrace./your_program trace.log

如果存在內(nèi)存泄漏,mtrace會輸出類似這樣的信息:

Memory not freed:
-----------------
   Address     Size     Caller
0x0804a008     0x28  at /home/user/your_program.c:10

這就清楚地告訴我們,在your_program.c的第 10 行分配的內(nèi)存沒有被釋放,從而定位到內(nèi)存泄漏的位置。

3.5自定義內(nèi)存分配器

自己動手,豐衣足食!自定義內(nèi)存分配器就像是為程序量身定制的 “內(nèi)存管家”,通過重載new和delete操作符,我們可以精確地記錄內(nèi)存分配和釋放的情況,從而實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存泄漏的檢測 。

實(shí)現(xiàn)思路很簡單,就是在重載的new操作符中記錄每次內(nèi)存分配的地址、大小以及分配的位置(文件名和行號),在delete操作符中刪除相應(yīng)的記錄 。當(dāng)程序結(jié)束時,檢查記錄中是否存在未被釋放的內(nèi)存。

下面是一個簡單的自定義內(nèi)存分配器示例代碼:

#include <iostream>
#include <map>
#include <cstdlib>

struct MemoryBlock {
    const char* file;
    int line;
};

static std::map<void*, MemoryBlock> allocated_blocks;

void* operator new(size_t size, const char* file, int line) {
    void* ptr = std::malloc(size);
    if (ptr) {
        allocated_blocks[ptr] = {file, line};
    }
    return ptr;
}

void operator delete(void* ptr) noexcept {
    auto it = allocated_blocks.find(ptr);
    if (it != allocated_blocks.end()) {
        allocated_blocks.erase(it);
    }
    std::free(ptr);
}

// 使用自定義new
#define new new(__FILE__, __LINE__)

// 在程序結(jié)束時檢查未釋放的內(nèi)存
void check_memory_leaks() {
    if (!allocated_blocks.empty()) {
        std::cerr << "Memory leaks detected:" << std::endl;
        for (const auto& pair : allocated_blocks) {
            std::cerr << "  Block at " << pair.first << " allocated at " << pair.second.file << ":" << pair.second.line << std::endl;
        }
    }
}

#include <cstdlib>

int main() {
    int* ptr1 = new int;
    int* ptr2 = new int[10];

    // 這里故意不釋放ptr1和ptr2指向的內(nèi)存,制造內(nèi)存泄漏

    check_memory_leaks();  // 檢查內(nèi)存泄漏
    return 0;
}

在這個示例中,allocated_blocks用于存儲已分配內(nèi)存塊的信息,重載的new操作符將分配信息記錄到allocated_blocks中,delete操作符則刪除相應(yīng)記錄 。check_memory_leaks函數(shù)在程序結(jié)束時檢查是否有未釋放的內(nèi)存,并輸出泄漏信息。通過這種方式,我們可以輕松地檢測出程序中的內(nèi)存泄漏問題。

四、解決內(nèi)存泄漏的方法

4.1正確使用內(nèi)存管理操作符

在 C++ 的世界里,new和delete、new[]和delete[]就像是一對緊密合作的 “伙伴”,必須嚴(yán)格遵循成對使用的規(guī)則,否則就容易引發(fā)內(nèi)存泄漏的 “災(zāi)難”。先來看正確使用的示例:

void correctUsage() {
    int* ptr1 = new int;  // 分配一個int型內(nèi)存
    *ptr1 = 10;
    // 使用ptr1
    delete ptr1;  // 釋放內(nèi)存,完美匹配,不會泄漏

    int* ptr2 = new int[5];  // 分配包含5個int的數(shù)組內(nèi)存
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        ptr2[i] = i;
    }
    // 使用ptr2
    delete[] ptr2;  // 釋放數(shù)組內(nèi)存,注意使用delete[]
}

在這段代碼中,ptr1和ptr2在使用完后,都通過對應(yīng)的操作符正確釋放了內(nèi)存,程序運(yùn)行得穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng) 。再看看錯誤使用會怎樣:

void wrongUsage() {
    int* ptr1 = new int;
    *ptr1 = 20;
    // 這里忘記了delete ptr1,內(nèi)存泄漏!

    int* ptr2 = new int[3];
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        ptr2[i] = i * 2;
    }
    delete ptr2;  // 錯誤!分配數(shù)組應(yīng)該用delete[],這里會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏
}

在wrongUsage函數(shù)中,ptr1沒有被釋放,一直占用著內(nèi)存;ptr2雖然用了delete,但由于分配時是數(shù)組形式,應(yīng)該用delete[],這樣錯誤的使用也會造成內(nèi)存泄漏,就像在整潔的房間里隨意丟棄垃圾,內(nèi)存 “空間” 會變得越來越混亂 。所以,一定要牢記內(nèi)存管理操作符的正確配對使用,這是避免內(nèi)存泄漏的基礎(chǔ)。

4.2使用智能指針

智能指針簡直就是 C++ 程序員管理內(nèi)存的 “魔法棒”?? 它基于 RAII(Resource Acquisition Is Initialization)原則,能自動管理對象的生命周期,把我們從繁瑣的手動內(nèi)存管理中解放出來。下面來看看幾種常見智能指針的神奇之處。

(1)std::unique_ptr:獨(dú)占所有權(quán)的 “獨(dú)行俠”

std::unique_ptr就像一個性格孤僻的 “獨(dú)行俠”,同一時間只有它能擁有某個對象的所有權(quán) 。當(dāng)它離開作用域時,會自動釋放所指向的對象,避免內(nèi)存泄漏。例如:

#include <iostream>
#include <memory>

void uniquePtrDemo() {
    std::unique_ptr<int> ptr(new int(10));  // 創(chuàng)建unique_ptr并指向一個int對象
    std::cout << *ptr << std::endl;  // 訪問對象的值
    // 當(dāng)ptr離開作用域時,它指向的int對象會被自動刪除,無需手動delete
}  // unique_ptr析構(gòu),內(nèi)存自動釋放

在這個例子中,ptr擁有int對象的唯一所有權(quán),當(dāng)uniquePtrDemo函數(shù)結(jié)束,ptr被銷毀,其所指對象也會被自動釋放,完全不用擔(dān)心內(nèi)存泄漏問題。而且std::unique_ptr不支持拷貝,只能通過std::move進(jìn)行移動語義操作,這進(jìn)一步確保了所有權(quán)的唯一性 。比如:

std::unique_ptr<int> ptr1(new int(20));
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1);  // 所有權(quán)從ptr1轉(zhuǎn)移到ptr2
if (!ptr1) {
    std::cout << "ptr1 is now empty." << std::endl;
}

這里ptr1的所有權(quán)被轉(zhuǎn)移給ptr2,ptr1變?yōu)榭罩羔?,保證了同一時刻只有一個指針管理對象。

(2)std::shared_ptr:共享所有權(quán)的 “團(tuán)隊(duì)成員”

std::shared_ptr則像是一個樂于分享的 “團(tuán)隊(duì)成員”,允許多個指針共享同一個對象的所有權(quán) 。它通過引用計(jì)數(shù)來管理對象的生命周期,當(dāng)引用計(jì)數(shù)為 0 時,對象會被自動銷毀。例如:

#include <iostream>
#include <memory>

void sharedPtrDemo() {
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(30);  // 創(chuàng)建shared_ptr并指向一個int對象,引用計(jì)數(shù)為1
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;  // ptr2共享ptr1的對象,引用計(jì)數(shù)加1變?yōu)?
    std::cout << "ptr1 use count: " << ptr1.use_count() << std::endl;  // 輸出引用計(jì)數(shù)
    std::cout << "ptr2 use count: " << ptr2.use_count() << std::endl;
    // 當(dāng)ptr1和ptr2離開作用域時,引用計(jì)數(shù)減為0,對象自動被銷毀
}  // 引用計(jì)數(shù)為0,對象釋放

在sharedPtrDemo函數(shù)中,ptr1和ptr2共享int對象的所有權(quán),通過use_count方法可以查看當(dāng)前的引用計(jì)數(shù) 。多個std::shared_ptr可以方便地在不同的代碼模塊之間共享對象,而且無需擔(dān)心對象在被使用時被意外銷毀。

(3)std::weak_ptr:不擁有所有權(quán)的 “觀察者”

std::weak_ptr是std::shared_ptr的好幫手,它就像一個 “觀察者”,不擁有對象的所有權(quán),主要用于解決std::shared_ptr可能出現(xiàn)的循環(huán)引用問題 。例如:

#include <iostream>
#include <memory>

class B;  // 前向聲明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    ~A() {
        std::cout << "A destroyed." << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> ptrA;  // 使用weak_ptr避免循環(huán)引用
    ~B() {
        std::cout << "B destroyed." << std::endl;
    }
};

void weakPtrDemo() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    a->ptrB = b;
    b->ptrA = a;  // 這里使用weak_ptr,不會增加引用計(jì)數(shù),避免循環(huán)引用
}  // a和b的引用計(jì)數(shù)都能正常減為0,對象被銷毀

在這個例子中,如果B類中也使用std::shared_ptr指向A,就會形成循環(huán)引用,導(dǎo)致A和B的對象永遠(yuǎn)不會被銷毀,造成內(nèi)存泄漏 。而使用std::weak_ptr,它不會增加引用計(jì)數(shù),當(dāng)a和b的引用計(jì)數(shù)為 0 時,它們所指向的對象就能被正常銷毀,成功解決了循環(huán)引用問題 。使用std::weak_ptr時,需要通過lock方法將其轉(zhuǎn)換為std::shared_ptr才能訪問對象,例如:

std::shared_ptr<int> shared = std::make_shared<int>(40);
std::weak_ptr<int> weak = shared;
if (!weak.expired()) {  // 檢查對象是否已被銷毀
    std::shared_ptr<int> locked = weak.lock();  // 轉(zhuǎn)換為shared_ptr
    if (locked) {
        std::cout << *locked << std::endl;  // 訪問對象
    }
}

這樣可以確保在訪問對象前,對象仍然存在,避免了懸空指針的問題。

4.3 RAII 原則

RAII,即 “Resource Acquisition Is Initialization”(資源獲取即初始化),是 C++ 中管理資源的一種重要設(shè)計(jì)原則,它就像是給資源管理制定了一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?“規(guī)章制度”其核心思想是將資源的獲取和對象的生命周期綁定在一起,當(dāng)對象被創(chuàng)建時,獲取所需資源;當(dāng)對象被銷毀時,自動釋放這些資源 。這樣一來,無論是正常的程序流程結(jié)束,還是發(fā)生異常導(dǎo)致程序提前終止,資源都能得到妥善的管理,有效避免了資源泄漏。

舉個例子,假設(shè)我們要管理一個文件句柄,如果不使用 RAII 原則,代碼可能是這樣的:

#include <iostream>
#include <fstream>

void nonRAIIFileHandling() {
    std::ifstream file("test.txt");
    if (file.is_open()) {
        // 處理文件
        // 假設(shè)這里發(fā)生異常
        throw std::runtime_error("Something went wrong");
    }
    file.close();  // 如果發(fā)生異常,這行代碼可能不會執(zhí)行,導(dǎo)致文件句柄未關(guān)閉
}

在這段代碼中,如果在處理文件時拋出異常,file.close()就無法執(zhí)行,文件句柄就不會被關(guān)閉,造成資源泄漏 。

而使用 RAII 原則,我們可以創(chuàng)建一個類來封裝文件句柄的操作:

#include <iostream>
#include <fstream>

class FileHandler {
public:
    FileHandler(const std::string& filename) : file(filename) {
        if (!file.is_open()) {
            throw std::runtime_error("Could not open file: " + filename);
        }
    }

    ~FileHandler() {
        file.close();
    }

    std::ifstream& getFile() {
        return file;
    }

private:
    std::ifstream file;
};

void RAIIFileHandling() {
    try {
        FileHandler handler("test.txt");
        std::ifstream& file = handler.getFile();
        // 處理文件
        // 如果發(fā)生異常,handler的析構(gòu)函數(shù)會自動被調(diào)用,關(guān)閉文件句柄
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }
}

在這個例子中,F(xiàn)ileHandler類的構(gòu)造函數(shù)負(fù)責(zé)打開文件,析構(gòu)函數(shù)負(fù)責(zé)關(guān)閉文件 。當(dāng)handler對象被創(chuàng)建時,文件被打開;當(dāng)handler離開作用域,無論是正常結(jié)束還是因?yàn)楫惓?,析?gòu)函數(shù)都會被調(diào)用,文件句柄會被自動關(guān)閉,完美遵循了 RAII 原則 。

同樣,對于動態(tài)內(nèi)存分配,智能指針就是 RAII 原則在內(nèi)存管理上的典型應(yīng)用 。比如std::unique_ptr,在構(gòu)造時分配內(nèi)存,析構(gòu)時釋放內(nèi)存,確保了內(nèi)存資源的安全管理 。再比如std::lock_guard用于管理互斥鎖,在構(gòu)造時自動上鎖,析構(gòu)時自動解鎖,避免了忘記解鎖導(dǎo)致的死鎖問題 。RAII 原則讓資源管理變得更加安全、簡潔,是 C++ 編程中不可或缺的一部分。

4.4內(nèi)存池技術(shù)

內(nèi)存池技術(shù)堪稱解決頻繁內(nèi)存分配和釋放問題的 “秘密武器” 在一些對性能要求極高的場景中,比如游戲開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等,頻繁地調(diào)用new和delete會帶來巨大的性能開銷,就像頻繁開關(guān)燈不僅耗電還容易損壞燈泡 。內(nèi)存池的出現(xiàn),完美地解決了這個問題。

內(nèi)存池的工作原理就像是一個 “內(nèi)存?zhèn)}庫”,在程序啟動時,預(yù)先從操作系統(tǒng)申請一塊較大的連續(xù)內(nèi)存空間 。當(dāng)程序需要分配內(nèi)存時,直接從這個 “倉庫” 中取出合適大小的內(nèi)存塊,而不是每次都向操作系統(tǒng)請求分配 。當(dāng)內(nèi)存塊不再使用時,也不是立即歸還給操作系統(tǒng),而是放回 “倉庫”,等待下一次被復(fù)用 。這樣一來,大大減少了與操作系統(tǒng)的交互次數(shù),提高了內(nèi)存分配和釋放的效率,同時也能有效減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。

下面是一個簡單的內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)思路和代碼框架:

#include <iostream>
#include <vector>

class MemoryPool {
public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t numBlocks)
        : blockSize(blockSize), numBlocks(numBlocks) {
        pool = new char[blockSize * numBlocks];
        freeList = pool;
        for (size_t i = 0; i < numBlocks - 1; ++i) {
            *(reinterpret_cast<char**>(freeList + i * blockSize)) = freeList + (i + 1) * blockSize;
        }
        *(reinterpret_cast<char**>(freeList + (numBlocks - 1) * blockSize)) = nullptr;
    }

    ~MemoryPool() {
        delete[] pool;
    }

    void* allocate() {
        if (!freeList) {
            // 內(nèi)存池已滿,可考慮擴(kuò)容
            return nullptr;
        }
        void* block = freeList;
        freeList = *(reinterpret_cast<char**>(freeList));
        return block;
    }

    void deallocate(void* ptr) {
        *(reinterpret_cast<char**>(ptr)) = freeList;
        freeList = reinterpret_cast<char*>(ptr);
    }

private:
    char* pool;
    char* freeList;
    size_t blockSize;
    size_t numBlocks;
};

int main() {
    MemoryPool pool(128, 10);  // 創(chuàng)建內(nèi)存池,每個塊大小為128字節(jié),共10個塊
    void* ptr1 = pool.allocate();
    void* ptr2 = pool.allocate();
    // 使用ptr1和ptr2
    pool.deallocate(ptr1);
    pool.deallocate(ptr2);
    return 0;
}

在這個代碼框架中,MemoryPool 類在構(gòu)造函數(shù)中申請了一塊連續(xù)的內(nèi)存空間,并將其劃分為多個大小相同的內(nèi)存塊,通過鏈表的方式管理這些空閑內(nèi)存塊 。 allocate 方法從空閑鏈表中取出一個內(nèi)存塊返回給調(diào)用者,deallocate 方法則將釋放的內(nèi)存塊重新加入空閑鏈表 。這樣,在程序運(yùn)行過程中,頻繁的內(nèi)存分配和釋放操作都在內(nèi)存池內(nèi)部完成,大大提高了效率 。實(shí)際應(yīng)用中,還可以根據(jù)具體需求對內(nèi)存池進(jìn)行優(yōu)化,比如支持不同大小內(nèi)存塊的分配、實(shí)現(xiàn)內(nèi)存池的自動擴(kuò)容等。

4.5避免循環(huán)引用

在使用智能指針,尤其是 std::shared_ptr 時,循環(huán)引用可是一個隱藏得很深的 “陷阱”一旦陷入其中,就會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏,讓程序出現(xiàn)莫名其妙的問題 。循環(huán)引用的原理其實(shí)并不復(fù)雜,簡單來說,就是兩個或多個對象通過 std::shared_ptr 相互引用,形成了一個循環(huán)的引用鏈,使得這些對象的引用計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)不會降為 0 ,從而無法被銷毀。

看一個具體的例子:

#include <iostream>
#include <memory>

class B;  // 前向聲明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    ~A() {
        std::cout << "A destroyed." << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> ptrA;
    ~B() {
        std::cout << "B destroyed." << std::endl;
    }
};

void circularReferenceProblem() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    a->ptrB = b;
    b->ptrA = a;  // 形成循環(huán)引用
}  // 這里a和b的引用計(jì)數(shù)都不會變?yōu)?,內(nèi)存泄漏

在circularReferenceProblem函數(shù)中,A對象通過ptrB引用B對象,B對象又通過ptrA引用A對象,這樣就形成了一個循環(huán)引用 。當(dāng)函數(shù)結(jié)束時,a和b的引用計(jì)數(shù)都不會降為 0,因?yàn)樗鼈兿嗷ヒ蕾?,?dǎo)致這兩個對象無法被銷毀,內(nèi)存就這樣泄漏了。

那么如何打破這個循環(huán)呢?這時候std::weak_ptr就派上用場了 。我們將其中一個引用改為std::weak_ptr,就可以避免循環(huán)引用 。修改后的代碼如下:

#include <iostream>
#include <memory>

class B;  // 前向聲明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    ~A() {
        std::cout << "A destroyed." << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> ptrA;  // 使用weak_ptr避免循環(huán)引用
    ~B() {
        std::cout << "B destroyed." << std::endl;
    }
};

void solveCircularReference() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    a->ptrB = b;
    b->ptrA = a;  // 不再形成循環(huán)引用
}  // 這里a和b的引用計(jì)數(shù)能正常降為0,對象被銷毀

在這個修改后的代碼中,B類中的ptrA改為了std::weak_ptr,它不會增加A對象的引用計(jì)數(shù) 。當(dāng)a和b的其他引用都消失后,它們的引用計(jì)數(shù)會降為 0,對象就能被正常銷毀,成功解決了循環(huán)引用導(dǎo)致的內(nèi)存泄漏問題 。所以,在使用智能指針時,一定要時刻警惕循環(huán)引用,合理運(yùn)用 std::weak_ptr 來打破循環(huán),確保內(nèi)存的正確管理。

五、內(nèi)存泄漏實(shí)戰(zhàn)案例分析

5.1模擬內(nèi)存泄漏場景

為了更直觀地了解內(nèi)存泄漏的檢測和修復(fù)過程,我們來構(gòu)建一個存在內(nèi)存泄漏問題的 C++ 示例程序。這個程序模擬了一個簡單的數(shù)據(jù)庫連接池,在每次連接數(shù)據(jù)庫時會分配一塊內(nèi)存來存儲連接信息,但在連接使用完畢后,沒有正確釋放這塊內(nèi)存。以下是示例程序的代碼:

#include <iostream>
#include <cstring>

// 模擬數(shù)據(jù)庫連接結(jié)構(gòu)體
struct DatabaseConnection {
    char* connectionString;
    int connectionId;

    DatabaseConnection(const char* str, int id) {
        connectionString = new char[strlen(str) + 1];
        std::strcpy(connectionString, str);
        connectionId = id;
    }

    ~DatabaseConnection() {
        // 這里應(yīng)該釋放connectionString,但我們故意不釋放,以模擬內(nèi)存泄漏
        // delete[] connectionString;
    }
};

// 模擬獲取數(shù)據(jù)庫連接的函數(shù)
DatabaseConnection* getDatabaseConnection() {
    static int connectionCount = 0;
    const char* connectionStr = "mysql://localhost:3306/mydb";
    DatabaseConnection* conn = new DatabaseConnection(connectionStr, connectionCount++);
    return conn;
}

int main() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        DatabaseConnection* conn = getDatabaseConnection();
        // 使用連接
        std::cout << "Using connection with ID: " << conn->connectionId << std::endl;
        // 這里沒有釋放連接,導(dǎo)致內(nèi)存泄漏
    }
    return 0;
}

在這個程序中,DatabaseConnection結(jié)構(gòu)體用于表示數(shù)據(jù)庫連接,在構(gòu)造函數(shù)中分配內(nèi)存來存儲連接字符串。getDatabaseConnection函數(shù)每次被調(diào)用時,都會創(chuàng)建一個新的DatabaseConnection對象并返回,但在main函數(shù)中,我們只是使用了這些連接,卻沒有在使用完畢后調(diào)用delete來釋放它們,從而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

5.2運(yùn)用工具定位問題

(2)使用 Valgrind 檢測

首先,使用 g++ 編譯程序,并加上-g選項(xiàng)生成調(diào)試信息:

g++ -g -o leak_demo leak_demo.cpp

然后,使用 Valgrind 檢測內(nèi)存泄漏:

valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all --track-origins=yes --verbose ./leak_demo

運(yùn)行上述命令后,Valgrind 會生成詳細(xì)的報告,報告中會指出內(nèi)存泄漏的位置和大小。例如,報告的關(guān)鍵部分可能如下:

==30123== 56 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==30123==    at 0x483C583: operator new[](unsigned long) (vg_replace_malloc.c:431)
==30123==    by 0x1092B7: DatabaseConnection::DatabaseConnection(char const*, int) (leak_demo.cpp:12)
==30123==    by 0x10934F: getDatabaseConnection() (leak_demo.cpp:23)
==30123==    by 0x1093A6: main (leak_demo.cpp:30)

從報告中可以看出,在leak_demo.cpp文件的第 12 行(DatabaseConnection的構(gòu)造函數(shù)中)分配的 56 字節(jié)內(nèi)存(connectionString和connectionId占用的空間)沒有被釋放,導(dǎo)致了確定的內(nèi)存泄漏。通過這樣的報告,我們可以明確地知道內(nèi)存泄漏發(fā)生的位置,從而有針對性地進(jìn)行修復(fù)。

(2)使用 ASan 檢測

使用 ASan 檢測內(nèi)存泄漏也很簡單,只需要在編譯時添加-fsanitize=address -g選項(xiàng):

g++ -fsanitize=address -g -o asan_leak_demo leak_demo.cpp

運(yùn)行編譯后的程序:

./asan_leak_demo

ASan 會在檢測到內(nèi)存泄漏時輸出詳細(xì)的錯誤信息,例如:

=================================================================
==30234==ERROR: LeakSanitizer: detected memory leaks

Direct leak of 56 byte(s) in 1 object(s) allocated from:
    #0 0x7f011d7b5b50 in operator new[](unsigned long) (/lib/x86_64-linux-gnu/libasan.so.5+0x10c2b3)
    #1 0x400b77 in DatabaseConnection::DatabaseConnection(char const*, int) (/home/user/leak_demo.cpp:12)
    #2 0x400c0f in getDatabaseConnection() (/home/user/leak_demo.cpp:23)
    #3 0x400c66 in main (/home/user/leak_demo.cpp:30)

SUMMARY: AddressSanitizer: 56 byte(s) leaked in 1 allocation(s).

ASan 的報告同樣清晰地指出了內(nèi)存泄漏的位置和大小,并且通過調(diào)用棧信息,我們可以追蹤到內(nèi)存泄漏是如何發(fā)生的,從main函數(shù)調(diào)用getDatabaseConnection函數(shù),再到DatabaseConnection的構(gòu)造函數(shù)中分配內(nèi)存但未釋放。

(3)使用 mtrace 檢測

在使用 mtrace 檢測內(nèi)存泄漏時,我們需要修改代碼,引入mtrace和muntrace函數(shù),并設(shè)置MALLOC_TRACE環(huán)境變量。修改后的代碼如下:

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <mcheck.h>

// 模擬數(shù)據(jù)庫連接結(jié)構(gòu)體
struct DatabaseConnection {
    char* connectionString;
    int connectionId;

    DatabaseConnection(const char* str, int id) {
        connectionString = new char[strlen(str) + 1];
        std::strcpy(connectionString, str);
        connectionId = id;
    }

    ~DatabaseConnection() {
        // 這里應(yīng)該釋放connectionString,但我們故意不釋放,以模擬內(nèi)存泄漏
        // delete[] connectionString;
    }
};

// 模擬獲取數(shù)據(jù)庫連接的函數(shù)
DatabaseConnection* getDatabaseConnection() {
    static int connectionCount = 0;
    const char* connectionStr = "mysql://localhost:3306/mydb";
    DatabaseConnection* conn = new DatabaseConnection(connectionStr, connectionCount++);
    return conn;
}

int main() {
    mtrace();
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        DatabaseConnection* conn = getDatabaseConnection();
        // 使用連接
        std::cout << "Using connection with ID: " << conn->connectionId << std::endl;
        // 這里沒有釋放連接,導(dǎo)致內(nèi)存泄漏
    }
    muntrace();
    return 0;
}

設(shè)置MALLOC_TRACE環(huán)境變量并編譯運(yùn)行程序:

export MALLOC_TRACE=mtrace.log
g++ -g -o mtrace_leak_demo mtrace_leak_demo.cpp
./mtrace_leak_demo

然后使用mtrace命令分析日志文件:

mtrace ./mtrace_leak_demo mtrace.log

分析結(jié)果可能如下:

Memory not freed:
-----------------
Address     Size     Caller
0x000055555575c6a0      0x38  at 0x7f011d7b5b50

雖然 mtrace 的輸出沒有直接給出代碼行號,但通過結(jié)合addr2line等工具,可以將內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為具體的代碼行號,從而定位內(nèi)存泄漏的位置。例如,使用addr2line命令:

addr2line -e./mtrace_leak_demo 0x7f011d7b5b50

通過上述工具的檢測,我們已經(jīng)明確了內(nèi)存泄漏的位置和原因,接下來就可以進(jìn)行修復(fù)了。

5.3修復(fù)內(nèi)存泄漏

根據(jù)檢測工具的報告,我們知道內(nèi)存泄漏發(fā)生在DatabaseConnection的析構(gòu)函數(shù)中,沒有釋放connectionString所指向的內(nèi)存。下面是修復(fù)后的代碼:

#include <iostream>
#include <cstring>

// 模擬數(shù)據(jù)庫連接結(jié)構(gòu)體
struct DatabaseConnection {
    char* connectionString;
    int connectionId;

    DatabaseConnection(const char* str, int id) {
        connectionString = new char[strlen(str) + 1];
        std::strcpy(connectionString, str);
        connectionId = id;
    }

    ~DatabaseConnection() {
        delete[] connectionString;
    }
};

// 模擬獲取數(shù)據(jù)庫連接的函數(shù)
DatabaseConnection* getDatabaseConnection() {
    static int connectionCount = 0;
    const char* connectionStr = "mysql://localhost:3306/mydb";
    DatabaseConnection* conn = new DatabaseConnection(connectionStr, connectionCount++);
    return conn;
}

int main() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        DatabaseConnection* conn = getDatabaseConnection();
        // 使用連接
        std::cout << "Using connection with ID: " << conn->connectionId << std::endl;
        delete conn; // 釋放連接
    }
    return 0;
}

在修復(fù)后的代碼中,我們在DatabaseConnection的析構(gòu)函數(shù)中添加了delete[] connectionString;語句,以釋放分配的內(nèi)存。同時,在main函數(shù)中,每次使用完連接后,調(diào)用delete conn;來釋放DatabaseConnection對象。

修復(fù)后,再次使用 Valgrind、ASan 和 mtrace 對程序進(jìn)行檢測,會發(fā)現(xiàn)不再有內(nèi)存泄漏的報告。例如,使用 Valgrind 檢測修復(fù)后的程序:

valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all --track-origins=yes --verbose ./fixed_leak_demo

輸出結(jié)果中LEAK SUMMARY部分會顯示:

==30345== LEAK SUMMARY:
==30345==    definitely lost: 0 bytes in 0 blocks
==30345==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==30345==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==30345==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==30345==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks

這表明程序已經(jīng)不存在內(nèi)存泄漏問題。通過這個實(shí)戰(zhàn)演練,我們不僅掌握了如何使用工具檢測內(nèi)存泄漏,還學(xué)會了如何根據(jù)檢測結(jié)果修復(fù)內(nèi)存泄漏,提高了程序的穩(wěn)定性和可靠性。

責(zé)任編輯:武曉燕 來源: 深度Linux
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