本文转载自微信公众号「程序喵大人」,作者程序喵大人。转载本文请联系程序喵大人公众号。
大家看我写了这么长时间C++文章,殊不知我在工作中已经一年多没有用过C++了,最近做一个新项目,终于又回到C++的怀抱了,有点激动,也有点不适应。
不管使用什么语言,一定要处理好内存问题,要有检测内存问题的方法论,于是撸了个检测是否有泄漏的小工具,这里分享一波。
先贴个效果图:
实现方法
众所周知C++中申请和释放内存使用的是new和delete关键字:
void func() {
A* a = new A();
delete a;
A* b = new int[4];
delete[] b;
}
- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
- 5.
- 6.
再明确下需求:如果程序中存在内存泄漏,我们的目的是找到这些内存是在哪里分配的,如果能够具体对应到代码中哪一个文件的那一行代码最好。好了需求明确了,开始实现。
内存在哪里释放的我们没必要监测,只需要检测出内存是在哪里申请的即可,如何检测呢?
整体思路很简单:在申请内存时记录下该内存的地址和在代码中申请内存的位置,在内存销毁时删除该地址对应的记录,程序最后统计下还有哪条记录没有被删除,如果还有没被删除的记录就代表有内存泄漏。
很多人应该都知道new关键字更底层是通过operator new来申请内存的:
void* operator new(std::size_t sz)
- 1.
也就是正常情况下C++都是通过operator new(std::size_t sz)来申请内存,而这个操作符我们可以重载:
void* operator new(std::size_t size, const char* file, int line);
void* operator new[](std::size_t size, const char* file, int line);
- 1.
- 2.
tip:new和new[]的区别我就不具体介绍了,太基础。
如果能让程序申请内存时调用重载的这个函数,就可以记录下内存申请的具体位置啦。
怎么能够让底层程序申请内存时调用重载的这个函数呢?这里可以对new使用宏定义:
#define new new (__FILE__, __LINE__)
- 1.
有了这个宏定义后,在new A的时候底层就会自动调用operator new(std::size_t size, const char* file, int line)函数,至此达到了我们记录内存申请位置的目的。
这里有两个问题:
- 在哪里记录内存申请的位置等信息呢?如果在operator new内部又申请了一块内存,用于记录位置,那新申请的这块内存需要记录不?这岂不是递归调用了?
- 只有在new宏定义包裹范围内申请了内存才会被记录,然而某些第三方库或者某些地方没有被new宏定义包裹,可能就无法被监测是否申请了内存吧?
下面逐个击破:
哪里存储具体信息?
我们肯定不能让它递归调用啊,那这些信息存储在哪里呢?这里可以在每次申请内存时,一次性申请一块稍微大点的内存,具体信息存储在多余的那块内存里,像这样:
static void* alloc_mem(std::size_t size, const char* file, int line, bool is_array) {
assert(line >= 0);
std::size_t s = size + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE;
new_ptr_list_t* ptr = (new_ptr_list_t*)malloc(s);
if (ptr == nullptr) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(new_output_lock);
printf("Out of memory when allocating %lu bytes\n", (unsigned long)size);
abort();
}
void* usr_ptr = (char*)ptr + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE;
if (line) {
strncpy(ptr->file, file, _DEBUG_NEW_FILENAME_LEN - 1)[_DEBUG_NEW_FILENAME_LEN - 1] = '\0';
} else {
ptr->addr = (void*)file;
}
ptr->line = line;
ptr->is_array = is_array;
ptr->size = size;
ptr->magic = DEBUG_NEW_MAGIC;
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(new_ptr_lock);
ptr->prev = new_ptr_list.prev;
ptr->next = &new_ptr_list;
new_ptr_list.prev->next = ptr;
new_ptr_list.prev = ptr;
}
total_mem_alloc += size;
return usr_ptr;
}
- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
- 5.
- 6.
- 7.
- 8.
- 9.
- 10.
- 11.
- 12.
- 13.
- 14.
- 15.
- 16.
- 17.
- 18.
- 19.
- 20.
- 21.
- 22.
- 23.
- 24.
- 25.
- 26.
- 27.
- 28.
- 29.
- 30.
- 31.
- 32.
new_ptr_list_t结构体定义如下:
struct new_ptr_list_t {
new_ptr_list_t* next;
new_ptr_list_t* prev;
std::size_t size;
union {
char file[200];
void* addr;
};
unsigned line;
};
- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
- 5.
- 6.
- 7.
- 8.
- 9.
- 10.
- 11.
没有被new宏包裹的地方可以检测的到吗?
没有被new宏包裹的地方是会调用operator new(std::size_t sz)函数来申请内存的。这里operator new函数不只可以重载,还可以重新定义它的实现,而且不会报multi definition的错误哦。因为它是一个weak symbol,有关strong symbol和weak symbol的知识点可以看我之前的一篇文章:《谈谈程序链接及分段那些事》
既然可以重定义,那就可以这样:
void* operator new(std::size_t size) {
return operator new(size, nullptr, 0);
}
- 1.
- 2.
- 3.
这样有个缺点,就是不能记录内存申请的具体代码位置,只能记录下来是否申请过内存,不过这也挺好,怎么也比没有任何感知强的多。
其实这里不是没有办法,尽管没有了new宏,获取不到具体申请内存的代码位置,但是可以获取到调用栈信息,把调用栈信息存储起来,还是可以定位大体位置。关于如何获取调用栈信息,大家可以研究下libunwind库看看。
释放内存时怎么办?
这里需要重定义operator delete(void* ptr)函数:
void operator delete(void* ptr) noexcept {
free_pointer(ptr, nullptr, false);
}
- 1.
- 2.
- 3.
free_pointer函数的大体思路就是在链表中找到要对应节点,删除掉,具体定义如下:
static void free_pointer(void* usr_ptr, void* addr, bool is_array) {
if (usr_ptr == nullptr) {
return;
}
new_ptr_list_t* ptr = (new_ptr_list_t*)((char*)usr_ptr - ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE);
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(new_ptr_lock);
total_mem_alloc -= ptr->size;
ptr->magic = 0;
ptr->prev->next = ptr->next;
ptr->next->prev = ptr->prev;
}
free(ptr);
}
- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
- 5.
- 6.
- 7.
- 8.
- 9.
- 10.
- 11.
- 12.
- 13.
- 14.
如何检测是否有内存泄漏?
遍历链表即可,每次new时候会把这段内存插入链表,delete时候会把这段内存从链表中移出,如果程序最后链表长度不为0,即为有内存泄漏,代码如下:
int checkLeaks() {
int leak_cnt = 0;
int whitelisted_leak_cnt = 0;
new_ptr_list_t* ptr = new_ptr_list.next;
while (ptr != &new_ptr_list) {
const char* const usr_ptr = (char*)ptr + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE;
printf("Leaked object at %p (size %lu, ", usr_ptr, (unsigned long)ptr->size);
if (ptr->line != 0) {
print_position(ptr->file, ptr->line);
} else {
print_position(ptr->addr, ptr->line);
}
printf(")\n");
ptr = ptr->next;
++leak_cnt;
}
return leak_cnt;
}
- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
- 5.
- 6.
- 7.
- 8.
- 9.
- 10.
- 11.
- 12.
- 13.
- 14.
- 15.
- 16.
- 17.
- 18.
- 19.
ps:关于可以重定义operator new这个操作,我也是最近看到别人代码后才发现,于是参考别人代码小撸了个代码检测工具,希望大家有所收获!