【轉載】讓我生不如死的WINCE內存泄漏

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不少實時嵌入式設備是長時間不間斷運行的，即便是少量的內存泄漏，也會聚沙成塔，對嵌入式系統帶來災難性的影響。這幾天，我在嵌入式軟件項目中就飽嘗到這個痛苦，讓我明白到嵌入式實時系統的應用軟件也會有許多內存問題，從而致使嵌入式系統的崩潰。例如非法的內存訪問、各類死鎖以及諸如堆棧溢出、數組越界和內存泄漏等。

　　Windows CE做爲最流行的一種嵌入式操做系統，現正普遍被應用。我所負責的嵌入式應用程序也是在Windows CE平臺上開發的。在進入測試階段中，我發現有一個程序模塊系統內存和CPU資源消耗急劇增長，持續增加到出現OutOfMemoryError爲止，而後自動重啓。這個問題折騰到我生不如死，痛苦不堪。花了我好幾個通宵達旦的加班後，通過分析終於確認Windows CE內存泄漏是形成此次Windows CE系統崩潰的主要緣由。這裏與你們分享我在開發過程當中遇到的內存泄漏的檢測和處理解決過程。
　　一.Windows CE如何進行內存分配?
　　爲了判斷是否有內存泄露，咱們首先須要瞭解Windows CE是如何管理內存的。許多嵌入式程序員都有一個共識，就是若是評選在Windows CE 程序中遇到最多的問題，那其中一個問題必定有內存問題。
　　(1)什麼是Windows CE內存管理
　　通常來講，運行Windows CE的嵌入式設備出於緊湊型的考慮內存都不大，以致於有時候有些程序員會爲了節省內存開支而犧牲程序的某些性能。但儘管WinCE系統的內存很小，用來管理內存的函數卻十分完善。Windows CE實現了Windows XP中幾乎所有的Win32內存管理API。例如，Windows CE支持虛擬內存分配，本地和分離的堆管理，甚至還有內存映射文件。像Windows XP同樣，Windows CE支持帶有應用程序間內存保護功能的32位地址空間，這一點對於多程序和多線程運行時是很是重要的功能。可是Windows CE畢竟是被設計來應用於實時場合的，因此它底層的內存結構又不一樣於Windows XP。
　　Windows CE內核能夠在Flash上直接運行，也能夠加載到內存中運行。Flash的運行方式，是把內核的可執行映像燒寫到Flash上，系統啓動時從Flash的某個地址開始執行。在這種狀況下，Windows CE系統就像直接讀硬盤，存儲在Flash上的程序可以以現場執行的方式運行。這種能力對小型系統來講使之在具備巨大的優點，這樣這能快速啓動一個應用程序，所以這種方法被不少嵌入式系統所採用。另外一種是內核加載方式，是把內核的壓縮文件存放在Flash上，系統啓動時讀取壓縮文件在內存裏解壓，而後開始執行。
　　(2)虛擬內存和函數應用
　　和大多數現代操做系統同樣，Windows CE實現按需調頁的虛擬內存機制。因爲Windows CE系統使用了虛擬內存，這就給應用程序形成了一個假象，覺得計算機安裝的內存遠遠超過本身所須要的數量。Windows CE是32位的操做系統，所以支持4GB的虛擬地址空間。Windows把這些地址空間分給進程和系統使用，每一個部分能夠得到2GB的虛擬內存。
　　虛擬內存是內存類型中最基礎的。Windows CE 實現了系統的虛擬內存管理，在一個虛擬內存系統中，應用程序主要處理這個虛擬的地址空間，並不涉及到由硬件管理的物理內存。系統調用虛擬內存API來爲其它類型內存分配內存，包括堆和棧。Windows CE虛擬內存頁能夠處在三種狀態：自由(free)，保留(reserved)，或被提交(committed)。
　　簡單說，就是當一個應用程序要查詢系統的內存時，可以使用虛擬內存API，包括VirtualAlloc，VirtualFree和VirtualReSize函數，這些函數能夠直接操做虛擬內存空間的虛擬內存頁面。例如，頁面能夠保留，提交給物理內存，或使用這些函數釋放。Windows CE實現了Win32的GetSystemInfo和GlobalMemoryStatus函數。另外一個檢測系統狀態的函數是：void GlobalMemoryStatus(LPMEMORYSTATUS lpmst)，經過GlobalMemoryStatus返回的信息能夠驗證Windows CE內存結構。
　　(3)釋放虛擬內存
　　不一樣於Windows XP，Windows CE只支持在堆中分配固定(fixed)的塊。這簡化了內存塊在堆中的處理，可是這使得堆在分配和釋放一段時間後會產生碎片。當堆裏已經清空的時候，仍然會佔用大量的虛擬內存頁，由於系統不能在堆中內存頁沒有徹底釋放的時候回收這些頁。這時，通常狀況下是能夠經過調用VirtualFree來取消提交，或釋放虛擬內存。從物理RAM頁中取消提交或者取消映射，可是保持頁被保留的狀態，當在區域中的全部的頁經過VirtualFree被釋放時，也應該處在一樣的狀況下。更確切地說，區域中的所有頁要被釋放，那這些頁要麼都是被提交的頁，要麼都是被保留的頁。若是有些頁被提交，有些頁被保留，那麼VirtualFree函數調用就會失敗。
　　實際上，Windows CE會監視系統自由的內存，並對愈來愈少的內存做出響應。當不多內存可用時，Windows CE首先發送WM_HIBERNATE消息，接下來會限制可能的內存分配。當應用程序被髮送了一個WM_HIBERNATE消息後，系統將檢測內存級別，確認是否可用內存在限度之上，若是可用內存不足，WM_HIBERNATE消息將被髮送給下一個程序，這會持續到全部程序被髮送了WM_HIBERNATE消息。
　　二. 什麼是Windows CE內存泄露
　　雖然Windows CE有許多方法來管理系統內存的運行，但仍是有可能發生內存錯誤的。Win32編程中常見內存錯誤:①內存分配錯誤;②使用未初始化的內存;③內存泄露;④使用已經釋放的內存資源。
　　(1)什麼是內存泄漏
　　內存泄漏是指程序在運行過程當中申請的內存，在程序結束時沒有被釋放。咱們常說的內存泄漏是指堆內存的泄漏，堆內存是指程序從堆中分配的。通常來講，應用程序是使用從堆中分配到一塊內存，使用完後程序必須負責相應的釋放該內存塊。不然，這塊內存就不能被再次使用，咱們就說這塊內存泄漏了。
　　通常來講，在全部時刻Windows CE內存管理器都知道進程所擁有的物理內存和虛擬內存。然而，若是進程分配內存時但因爲Bug而沒法釋放內存(內存泄漏)，內存管理器就可能沒法瞭解這些已分配的內存，也沒法從新訪問這些內存，而必須等到進程退出時回收內存。但須要特別注意的是，一樣的程序在Window XP平臺上可能沒有什麼問題，但在缺少內存的Windows CE平臺，通過長時間運行該程序可能會內存耗盡而致使系統重啓，這是我在通過幾個生不如死的通宵達旦測試後獲得的寶貴經驗和教訓。
　　所以，內存泄漏引起的性能失常徹底不一樣於程序錯誤，這些問題很難經過調試器對代碼進行單步調試加以解決。對於將會在某時刻退出的桌面應用程序，較小的內存泄漏是能夠承受的，由於退出進程將把佔用的全部內存返還給操做系統。但對於長時間運行的嵌入式系統，則一般須要確保絕對沒有內存泄漏。
　　(2)常見的內存泄漏緣由
　　常見的內存泄漏有這幾種緣由:①Windows CE內存碎片。②在局部堆申請的堆只增長不會立刻減小，直到程序退出。③程序運行時分配物理內存，當程序使用完後，這些物理內存仍然被佔用，直到系統內存不足時分頁內存交換到分頁文件中，而後才釋放掉其佔用的物理內存。④Windows CE內存管理的缺陷。
　　總而言之，內存泄漏產生的主要緣由是保留了卻再也不使用的內存空間。Windows CE雖然有自動管理內存的功能，但內存泄漏也是不容忽視，它每每是破壞嵌入式系統穩定性的重要因素。
　　三. 如何檢測和處理內存泄漏?
　　如何查找引發內存泄漏的緣由，通常有兩個步驟：第一是安排有經驗的編程人員對代碼進行走查和分析，找出內存泄漏發生的位置。第二是使用專門的內存泄漏測試工具進行測試。
　　(1)代碼走讀檢測內存泄漏
　　一般在懷疑發生內存泄漏以後，第一步是要弄清楚泄漏了什麼數據和引發了什麼泄漏。通常說來，一個正常的系統在其運行穩定後其內存的佔用量是基本穩定的，不該該是無限制的增加的。根據這樣的基本假設，咱們持續地觀察系統運行時使用的內存的大小，若是內存的大小持續地增加，則說明系統存在內存泄漏。
　　內存泄漏可經過代碼走讀來發現和定位，也能夠用專用的工具來測試和定位。實際上，對於內存泄漏，代碼檢查有時能比採用任何技術解決方案更快地找到問題所在。預防內存泄漏的惟一方法就是要求程序員在程序結束時，必須將每一個申請的內存都釋放。
　　(2)使用工具檢測內存泄漏
　　一旦知道確實發生了內存泄漏，就須要更專業的工具來查明爲何會發生泄漏。在這個時候，咱們一般須要使用一些開銷較低的工具來監控和查找內存泄漏。查找內存泄漏的工具不少，最經常使用的釋放工具就是dmalloc和mpatrol，這些工具提供了記錄並檢查全部內存分配的調試版堆棧，從而有利於分析內存泄漏和懸掛指針。
　　檢測內存泄漏的關鍵是要能截獲住對分配內存和釋放內存的函數的調用，當截獲住這兩個函數，咱們就能跟蹤每一塊內存的生命週期。好比，每當成功的分配一塊內存後，就把它的指針加入一個全局的list中;每當釋放一塊內存，再把它的指針從list中刪除。這樣，當程序結束的時候，list中剩餘的指針就是指向那些沒有被釋放的內存。哪麼，最簡單的內存泄漏檢測方式就是截獲住這些指針。

　　總的來講，不管那種方式，咱們都須要認真檢查應用程序任何內存分配調用的返回代碼，由於在Windows CE中比在桌面版本的Windows中有更多的機會致使內存分配失敗，從而會致使內存泄漏。

     PS：我本身的vb.net寫的WINCE程序運行一個月左右就會癱瘓掉，如今正在找具體緣由，找到緣由解決了問題，會在博客中具體貼出。