在 Linux下調試內存泄漏的方法
由于內存泄漏不是顯而易見，而且存在內存錯誤的 C 和 C++ 程序會導致各種問題，所以需要特別關注 C 和 C++ 編程的內存問題，特別是內存泄漏。本文先從如何發現內存泄漏，然后是用不同的方法和工具定位內存泄漏，最后對這些工具進行了比較，另外還簡單介紹了資源泄漏的處理(以句柄泄漏為例)。本文使用的測試平臺是：Linux (Redhat AS4)。但是這些方法和工具許多都不只是局限于 C/C++ 語言以及 linux 操作系統。
內存泄漏一般指的是堆內存的泄漏。堆內存是指程序從堆中分配的、大小任意的(內存塊的大小可以在程序運行期決定)、使用完后必須顯示的釋放的內存。應用程序一般使用malloc、realloc、new 等函數從堆中分配到一塊內存，使用完后，程序必須負責相應的調用 free 或 delete 釋放該內存塊。否則，這塊內存就不能被再次使用，我們就說這塊內存泄漏了。
1. 如何發現內存泄漏
有些簡單的內存泄漏問題可以從在代碼的檢查階段確定。還有些泄漏比較嚴重的，即在很短的時間內導致程序或系統崩潰，或者系統報告沒有足夠內存，也比較容易發現。最困難的就是泄漏比較緩慢，需要觀測幾天、幾周甚至幾個月才能看到明顯異常現象。那么如何在比較短的時間內檢測出有沒有潛在的內存泄漏問題呢?實際上不同的系統都帶有內存監視工具，我們可以從監視工具收集一段時間內的堆棧內存信息，觀測增長趨勢，來確定是否有內存泄漏。在 Linux 平臺可以用 ps 命令，來監視內存的使用，比如下面的命令 (觀測指定進程的VSZ值)：
ps -aux
2. 靜態分析
包括手動檢測和靜態工具分析，這是代價最小的調試方法。
（1）手動檢測
當使用 C/C++ 進行開發時，采用良好的一致的編程規范是防止內存問題第一道也是最重要的措施。檢測是編碼標準的補充。二者各有裨益，但結合使用效果特別好。專業的 C 或 C++ 專業人員甚至可以瀏覽不熟悉的源代碼，并以極低的成本檢測內存問題。通過少量的實踐和適當的文本搜索，您能夠快速驗證平衡的 *alloc() 和 free() 或者 new 和 delete 的源主體。人工查看此類內容通常會出現像清單 1 中一樣的問題，可以定位出在函數 LeakTest 中的堆變量 Logmsg 沒有釋放。
清單1. 簡單的內存泄漏
- #include
- #include
- #include
- int LeakTest(char * Para)
- {
- if(NULL==Para){
- //local_log("LeakTest Func: empty parameter\n");
- return -1;
- }
- char * Logmsg = new char[128];
- if(NULL == Logmsg){
- //local_log("memeory allocation failed\n");
- return -2;
- }
- sprintf(Logmsg,"LeakTest routine exit: '%s'.\n", Para);
- //local_log(Logmsg);
- return 0;
- }
- int main(int argc,char **argv )
- {
- char szInit [] = "testcase1";
- LeakTest(szInit);
- return 0;
- }
（2）靜態代碼分析工具
代碼靜態掃描和分析的工具比較多，比如 splint, PC-LINT, BEAM 等。因為 BEAM 支持的平臺比較多，這以 BEAM 為例，做個簡單介紹，其它有類似的處理過程。
BEAM 可以檢測四類問題: 沒有初始化的變量;廢棄的空指針;內存泄漏;冗余計算。而且支持的平臺比較多。
BEAM 支持以下平臺：
Linux x86 (glibc 2.2.4)
Linux s390/s390x (glibc 2.3.3 or higher)
Linux (PowerPC, USS) (glibc 2.3.2 or higher)
AIX (4.3.2+)
Window2000 以上
清單2. 用作 Beam 分析的代碼
- #include
- #include
- #include
- int *p;
- void
- foo(int a)
- {
- int b, c;
- b = 0;
- if(!p)
- c = 1;
- if(c > a)
- c += p[1];
- }
- int LeakTest(char * Para)
- {
- char * Logmsg = new char[128];
- if((Para==NULL)||(Logmsg == NULL))
- return -1;
- sprintf(Logmsg,"LeakTest routine exit: '%s'.\n", Para);
- return 0;
- }
- int main(int argc,char **argv )
- {
- char szInit [] = "testcase1";
- LeakTest(szInit);
- return 0;
- }
下面以 X86 Linux 為例,代碼如清單 2，具體的環境如下:
OS: Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant Update 2)
GCC: gcc version 3.4.4
BEAM: 3.4.2; https://w3.eda.ibm.com/beam/
可以把 BEAM 看作一個 C/C++ 編譯器，按下面的命令進行編譯 (前面兩個命令是設置編譯器環境變量)：
- ./beam-3.4.2/bin/beam_configure --c gcc
- ./beam-3.4.2/bin/beam_configure --cpp g++
- ./beam-3.4.2/bin/beam_compile --beam::compiler=compiler_cpp_config.tcl -cpp code2.cpp
從下面的編譯報告中，我們可以看到這段程序中有三個錯誤:”內存泄漏”;“變量未初始化”;“ 空指針操作”
- "code2.cpp", line 10: warning: variable "b" was set but never used
- int b, c;
- ^
- BEAM_VERSION=3.4.2
- BEAM_ROOT=/home/hanzb/memdetect
- BEAM_DIRECTORY_WRITE_INNOCENTS=
- BEAM_DIRECTORY_WRITE_ERRORS=
- -- ERROR23(heap_memory) /*memory leak*/ >>>ERROR23_LeakTest_7b00071dc5cbb458
- "code2.cpp", line 24: memory leak
- ONE POSSIBLE PATH LEADING TO THE ERROR:
- "code2.cpp", line 22: allocating using `operator new[]' (this memory will not be freed)
- "code2.cpp", line 22: assigning into `Logmsg'
- "code2.cpp", line 24: deallocating `Logmsg' because exiting its scope
- (losing last pointer to the memory)
- -- ERROR1 /*uninitialized*/ >>>ERROR1_foo_60c7889b2b608
- "code2.cpp", line 16: uninitialized `c'
- ONE POSSIBLE PATH LEADING TO THE ERROR:
- "code2.cpp", line 10: allocating `c'
- "code2.cpp", line 13: the if-condition is false
- "code2.cpp", line 16: getting the value of `c'
- VALUES AT THE END OF THE PATH:
- p != 0
- -- ERROR2 /*operating on NULL*/ >>>ERROR2_foo_af57809a2b615
- "code2.cpp", line 17: invalid operation involving NULL pointer
- ONE POSSIBLE PATH LEADING TO THE ERROR:
- "code2.cpp", line 13: the if-condition is true (used as evidence that error is possible)
- "code2.cpp", line 16: the if-condition is true
- "code2.cpp", line 17: invalid operation `[]' involving NULL pointer `p'
- VALUES AT THE END OF THE PATH:
- c = 1
- p = 0
- a <= 0
#p#
（3） 內嵌程序
可以重載內存分配和釋放函數 new 和 delete,然后編寫程序定期統計內存的分配和釋放，從中找出可能的內存泄漏。或者調用系統函數定期監視程序堆的大小，關鍵要確定堆的增長是泄漏而不是合理的內存使用。這類方法比較復雜，在這就不給出詳細例子了。
3. 動態運行檢測
實時檢測工具主要有 valgrind, Rational purify 等。
（1） Valgrind
valgrind 是幫助程序員尋找程序里的 bug 和改進程序性能的工具。程序通過 valgrind 運行時，valgrind 收集各種有用的信息，通過這些信息可以找到程序中潛在的 bug 和性能瓶頸。
Valgrind 現在提供多個工具，其中最重要的是 Memcheck，Cachegrind，Massif 和 Callgrind。Valgrind 是在 Linux 系統下開發應用程序時用于調試內存問題的工具。它尤其擅長發現內存管理的問題，它可以檢查程序運行時的內存泄漏問題。其中的 memecheck 工具可以用來尋找 c、c++ 程序中內存管理的錯誤。可以檢查出下列幾種內存操作上的錯誤：
讀寫已經釋放的內存
讀寫內存塊越界(從前或者從后)
使用還未初始化的變量
將無意義的參數傳遞給系統調用
內存泄漏
（2） Rational purify
Rational Purify 主要針對軟件開發過程中難于發現的內存錯誤、運行時錯誤。在軟件開發過程中自動地發現錯誤，準確地定位錯誤，提供完備的錯誤信息，從而減少了調試時間。同時也是市場上唯一支持多種平臺的類似工具，并且可以和很多主流開發工具集成。Purify 可以檢查應用的每一個模塊，甚至可以查出復雜的多線程或進程應用中的錯誤。另外不僅可以檢查 C/C++，還可以對 Java 或 .NET 中的內存泄漏問題給出報告。
在 Linux 系統中，使用 Purify 需要重新編譯程序。通常的做法是修改 Makefile 中的編譯器變量。下面是用來編譯本文中程序的 Makefile：
CC=purify gcc
首先運行 Purify 安裝目錄下的 purifyplus_setup.sh 來設置環境變量，然后運行 make 重新編譯程序。
./purifyplus_setup.sh
下面給出編譯一個代碼文件的示例，源代碼文件命名為 test3.cpp. 用 purify 和 g++ 的編譯命令如下，‘-g’是編譯時加上調試信息。
purify g++ -g test3.cpp –o test
運行編譯生成的可執行文件 test，就可以得到圖1，可以定位出內存泄漏的具體位置。
./test
清單3. Purify 分析的代碼
- #include
- char * Logmsg;
- int LeakTest(char * Para)
- {
- if(NULL==Para){
- //local_log("LeakTest Func: empty parameter\n");
- return -1;
- }
- Logmsg = new char[128];
- for (int i = 0 ; i < 128; i++)
- Logmsg[i] = i%64;
- if(NULL == Logmsg){
- //local_log("memeory allocation failed\n");
- return -2;
- }
- sprintf(Logmsg,"LeakTest routine exit: '%s'.\n", Para);
- //local_log(Logmsg);
- return 0;
- }
- int main(int argc,char **argv )
- {
- char szInit [] = "testcase1";
- int i;
- LeakTest(szInit);
- for (i=0; i < 2; i++){
- if(i%200 == 0)
- LeakTest(szInit);
- sleep(1);
- }
- return 0;
- }
需要指出的是，程序必須編譯成調試版本才可以定位到具體哪行代碼發生了內存泄漏。即在 gcc 或者 g++ 中，必須使用 "-g" 選項。
圖 1 purify 的輸出結果
以上就是幾種內存泄露，以及調試方法。對程序內存泄露的問題有著一定的幫助。
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