Linux下內存泄漏工具

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概述

　　內存泄漏(memory leak)指因爲疏忽或錯誤形成程序未能釋放已經再也不使用的內存的狀況，在大型的、複雜的應用程序中，內存泄漏是常見的問題。當之前分配的一片內存再也不須要使用或沒法訪問時，可是卻並無釋放它，這時就出現了內存泄漏。儘管優秀的編程實踐能夠確保最少的泄漏，可是根據經驗，當使用大量的函數對相同的內存塊進行處理時，極可能會出現內存泄漏。

　　內存泄露能夠分爲如下幾類：
　　1． 常發性內存泄漏。發生內存泄漏的代碼會被屢次執行到，每次被執行的時候都會致使一塊內存泄漏。
　　2． 偶發性內存泄漏。發生內存泄漏的代碼只有在某些特定環境或操做過程下才會發生。常發性和偶發性是相對的。對於特定的環境，偶發性的也許就變成了常發性的。因此測試環境和測試方法對檢測內存泄漏相當重要。
　　3． 一次性內存泄漏。發生內存泄漏的代碼只會被執行一次，或者因爲算法上的缺陷，致使總會有一塊且僅一塊內存發生泄漏。好比，在一個Singleton類的構造函數中分配內存，在析構函數中卻沒有釋放該內存。而Singleton類只存在一個實例，因此內存泄漏只會發生一次。
　　4． 隱式內存泄漏。程序在運行過程當中不停的分配內存，可是直到結束的時候才釋放內存。嚴格的說這裏並無發生內存泄漏，由於最終程序釋放了全部申請的內存。可是對於一個服務器程序，須要運行幾天，幾周甚至幾個月，不及時釋放內存也可能致使最終耗盡系統的全部內存。因此，咱們稱這類內存泄漏爲隱式內存泄漏。

內存泄漏檢測工具

　　如今有不少方法來檢測內存泄露，如下列舉了linux經常使用的內存泄露檢測工具。

　　一、mtrace

　　應用環境：Linux GLIBC

　　編程語言：C

　　使用方法： 包含頭文件mcheck.h，定義環境變量MALLOC_TRACE爲輸出文件名，程序開始時調用mtrace()便可。

　　結果輸出：用戶指定的文件

　　設計思路： 爲malloc,realloc,free函數添加鉤子函數,記錄每一對malloc-free的執行

　　優缺點：只能檢查使用malloc/realloc/free形成的的內存泄露

　　如何獲取：GLIBC自帶，可直接使用

 

　　二、memwatch

　　應用環境：Linux

　　編程語言：C

　　使用方法：  加入memwatch.h，編譯時加上-DMEMWATCH -DMW_STDIO及memwatch.c

　　結果輸出：輸出文件名稱爲memwatch.log，在程序執行期間，錯誤提示都會顯示在stdout上

　　設計思路：將malloc/realloc/calloc/strdup/free等重定義爲mwMalloc(sz, __FILE__, __LINE__)等，內部維護一個操做鏈表

　　優缺點：能檢測雙重釋放（double-free）、錯誤釋放（erroneous free）、內存泄漏（unfreed memory）、溢出(Overflow)、下溢(Underflow)等等

　　如何獲取：http://memwatch.sourceforge.net/

 

　　三、valgrind

　　應用環境：Linux

　　編程語言：C/C++

　　使用方法：  編譯時加上-g選項，如 gcc -g filename.c  -o filename,使用以下命令檢測內存使用狀況：

　　結果輸出：#valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes --show-reachable=yes ./filename，就會看到內存使用報告

　　設計思路：根據軟件的內存操做維護一個有效地址空間表和無效地址空間表（進程的地址空間）

　　優缺點：可以檢測：

• 使用未初始化的內存 (Use of uninitialised memory)
• 使用已經釋放了的內存 (Reading/writing memory after it has been free’d)
• 使用超過 malloc分配的內存空間(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)
• 對堆棧的非法訪問 (Reading/writing inappropriate areas on the stack)
• 申請的空間是否有釋放 (Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)
• malloc/free/new/delete申請和釋放內存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])
• src和dst的重疊(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)
• 重複free

　　如何獲取：http://valgrind.org/

　　四、debug_new

　　應用環境：Linux/Windows

　　編程語言：C++

　　使用方法： 包含頭文件debug_new.h，連接debug_new.cpp

　　結果輸出：控制檯console

　　設計思路： 經過重載new和delete操做符來捕獲內存申請/釋放請求，並在程序內部維護一個全局靜態變量的哈希鏈表。在new操做符中，不只僅分配用戶所要求的內存，而是在爲每次分配的內存都添加一個頭部，存儲着這次分配的位置信息和鏈表指針，new返回的是分配的這塊內存加上頭部偏移後的值，而在以前已經將此返回值做了HASH計算並添加到HASH鏈表中了。delete的時候先根據要釋放的指針地址作HASH計算，而後再遍歷數組HASH值處的鏈表進行查找，若是找到則將該節點移除，未找到就abort。這樣在程序結束以後，經過檢查此數組中是否還有未釋放的內存塊來肯定是否有內存泄露。

　　優缺點：跨平臺，僅用於C++程序，

　　如何獲取：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-mleak2/index.html

 

總結

以上的這些分析工具，所使用的方法大體分爲如下幾種：

一、註冊內存分配/釋放鉤子函數(hook)。在Linux下能夠malloc_hook, free_hook等5個鉤子函數，在Windows下能夠註冊_CrtSetAllocHook鉤子函數，這樣在分配內存的時候就能夠捕獲這一請求並加以處理。Visual Leak Detecter和mtrace使用此方式。

二、使用宏定義替換。將用戶代碼中的malloc, free 替換爲宏定義的 mwMalloc(sz, __FILE__, __LINE__)等自定義函數，從而跟蹤內存請求，memwatch即便用此方式。

三、操做符重載。此方法僅用於C++語言中，經過重載new、delete操做符來實現跟蹤內存請求，重載後的操做符相似於鉤子函數意義。debug_new採用此方式。

 

這些工具的輸出方式也分如下幾種：

一、普通環境下通常輸出到調試窗口中，不少軟件自己就提供了一個理想的輸出場所，而且GUI應用程序輸出到標準輸出時不可見的。Visual Leak Detecter採用此法。

二、輸出到標準輸出或標準錯誤輸出：控制檯應用程序能夠輸出到屏幕，如memwatch, valgrind, debug_new都是採用這種方法。

三、輸出到日誌文件：將結果輸出到用戶指定或默認的日誌文件中，如mtrace和memwatch。

 

此外，這些工具的內存檢測方式無非也分爲兩種：

一、維護一個內存操做鏈表，當有內存申請操做時，將其加入此鏈表中，當有釋放操做時，從申請操做從鏈表中移除。若是到程序結束後此鏈表中還有內容，說明有內存泄露了；若是要釋放的內存操做沒有在鏈表中找到對應操做，則說明是釋放了屢次。使用此方法的有內置的調試工具，Visual Leak Detecter，mtrace, memwatch, debug_new。

二、模擬進程的地址空間。仿照操做系統對進程內存操做的處理，在用戶態下維護一個地址空間映射，此方法要求對進程地址空間的處理有較深的理解。由於Windows的進程地址空間分佈不是開源的，因此模擬起來很困難，所以只支持Linux。採用此方法的是valgrind。