浅谈C/C++内存泄漏及其检测工具
使用BoundsChecker检测内存泄漏：
BoundsChecker采用一种被称为 Code Injection的技术，来截获对分配内存和释放内存的函数的调用。简单地说，当你的程序开始运行时，BoundsChecker的DLL被自动载入进程的地址空间（这可以通过system-level的Hook实现），然后它会修改进程中对内存分配和释放的函数调用，让这些调用首先转入它的代码，然后再执行原来的代码。BoundsChecker在做这些动作的时，无须修改被调试程序的源代码或工程配置文件，这使得使用它非常的简便、直接。
这里我们以malloc函数为例，截获其他的函数方法与此类似。
需要被截获的函数可能在DLL中，也可能在程序的代码里。比如，如果静态连结C-Runtime Library，那么malloc函数的代码会被连结到程序里。为了截获住对这类函数的调用，BoundsChecker会动态修改这些函数的指令。
以下两段汇编代码，一段没有BoundsChecker介入，另一段则有BoundsChecker的介入：
| 126: _CRTIMP void * __cdecl malloc ( 127: size_t nSize 128: ) 129: { 00403C10 push ebp 00403C11 mov ebp,esp 130: return _nh_malloc_dbg(nSize, _newmode, _NORMAL_BLOCK, NULL, 0); 00403C13 push 0 00403C15 push 0 00403C17 push 1 00403C19 mov eax,[__newmode (0042376c)] 00403C1E push eax 00403C1F mov ecx,dword ptr [nSize] 00403C22 push ecx 00403C23 call _nh_malloc_dbg (00403c80) 00403C28 add esp,14h 131: } |
以下这一段代码有BoundsChecker介入：
| 126: _CRTIMP void * __cdecl malloc ( 127: size_t nSize 128: ) 129: { 00403C10 jmp 01F41EC8 00403C15 push 0 00403C17 push 1 00403C19 mov eax,[__newmode (0042376c)] 00403C1E push eax 00403C1F mov ecx,dword ptr [nSize] 00403C22 push ecx 00403C23 call _nh_malloc_dbg (00403c80) 00403C28 add esp,14h 131: } |
当BoundsChecker介入后，函数malloc的前三条汇编指令被替换成一条jmp指令，原来的三条指令被搬到地址01F41EC8处了。当程序进入malloc后先jmp到01F41EC8，执行原来的三条指令，然后就是BoundsChecker的天下了。大致上它会先记录函数的返回地址（函数的返回地址在stack上，所以很容易修改），然后把返回地址指向属于BoundsChecker的代码，接着跳到malloc函数原来的指令，也就是在00403c15的地方。当malloc函数结束的时候，由于返回地址被修改，它会返回到BoundsChecker的代码中，此时BoundsChecker会记录由malloc分配的内存的指针，然后再跳转到到原来的返回地址去。
如果内存分配/释放函数在DLL中，BoundsChecker则采用另一种方法来截获对这些函数的调用。BoundsChecker通过修改程序的DLL Import Table让table中的函数地址指向自己的地址，以达到截获的目的。
截获住这些分配和释放函数，BoundsChecker就能记录被分配的内存或资源的生命周期。接下来的问题是如何与源代码相关，也就是说当BoundsChecker检测到内存泄漏，它如何报告这块内存块是哪段代码分配的。答案是调试信息（Debug Information）。当我们编译一个Debug版的程序时，编译器会把源代码和二进制代码之间的对应关系记录下来，放到一个单独的文件里(.pdb)或者直接连结进目标程序，通过直接读取调试信息就能得到分配某块内存的源代码在哪个文件，哪一行上。使用Code Injection和Debug Information，使BoundsChecker不但能记录呼叫分配函数的源代码的位置，而且还能记录分配时的Call Stack，以及Call Stack上的函数的源代码位置。这在使用像MFC这样的类库时非常有用，以下我用一个例子来说明：
| void ShowXItemMenu() { … CMenu menu; menu.CreatePopupMenu(); //add menu items. menu.TrackPropupMenu(); … } void ShowYItemMenu( ) { … CMenu menu; menu.CreatePopupMenu(); //add menu items. menu.TrackPropupMenu(); menu.Detach();//this will cause HMENU leak … } BOOL CMenu::CreatePopupMenu() { … hMenu = CreatePopupMenu(); … } |
当调用ShowYItemMenu()时，我们故意造成HMENU的泄漏。但是，对于BoundsChecker来说被泄漏的HMENU是在class CMenu::CreatePopupMenu()中分配的。假设的你的程序有许多地方使用了CMenu的CreatePopupMenu()函数，如CMenu::CreatePopupMenu()造成的，你依然无法确认问题的根结到底在哪里，在ShowXItemMenu()中还是在ShowYItemMenu()中，或者还有其它的地方也使用了CreatePopupMenu()？有了Call Stack的信息，问题就容易了。BoundsChecker会如下报告泄漏的HMENU的信息：
| Function File Line CMenu::CreatePopupMenu E:\8168\vc98\mfc\mfc\include\afxwin1.inl 1009 ShowYItemMenu E:\testmemleak\mytest.cpp 100 |
这里省略了其他的函数调用
如此，我们很容易找到发生问题的函数是ShowYItemMenu()。当使用MFC之类的类库编程时，大部分的API调用都被封装在类库的class里，有了Call Stack信息，我们就可以非常容易的追踪到真正发生泄漏的代码。
记录Call Stack信息会使程序的运行变得非常慢，因此默认情况下BoundsChecker不会记录Call Stack信息。可以按照以下的步骤打开记录Call Stack信息的选项开关：
1. 打开菜单：BoundsChecker|Setting…
2. 在Error Detection页中，在Error Detection Scheme的List中选择Custom
3. 在Category的Combox中选择 Pointer and leak error check
4. 钩上Report Call Stack复选框
5. 点击Ok
基于Code Injection，BoundsChecker还提供了API Parameter的校验功能，memory over run等功能。这些功能对于程序的开发都非常有益。由于这些内容不属于本文的主题，所以不在此详述了。
尽管BoundsChecker的功能如此强大，但是面对隐式内存泄漏仍然显得苍白无力。所以接下来我们看看如何用Performance Monitor检测内存泄漏。
使用Performance Monitor检测内存泄漏
NT的内核在设计过程中已经加入了系统监视功能，比如CPU的使用率，内存的使用情况，I/O操作的频繁度等都作为一个个Counter，应用程序可以通过读取这些Counter了解整个系统的或者某个进程的运行状况。Performance Monitor就是这样一个应用程序。
为了检测内存泄漏，我们一般可以监视Process对象的Handle Count，Virutal Bytes 和Working Set三个Counter。Handle Count记录了进程当前打开的HANDLE的个数，监视这个Counter有助于我们发现程序是否有Handle泄漏；Virtual Bytes记录了该进程当前在虚地址空间上使用的虚拟内存的大小，NT的内存分配采用了两步走的方法，首先，在虚地址空间上保留一段空间，这时操作系统并没有分配物理内存，只是保留了一段地址。然后，再提交这段空间，这时操作系统才会分配物理内存。所以，Virtual Bytes一般总大于程序的Working Set。监视Virutal Bytes可以帮助我们发现一些系统底层的问题; Working Set记录了操作系统为进程已提交的内存的总量，这个值和程序申请的内存总量存在密切的关系，如果程序存在内存的泄漏这个值会持续增加，但是Virtual Bytes却是跳跃式增加的。
监视这些Counter可以让我们了解进程使用内存的情况，如果发生了泄漏，即使是隐式内存泄漏，这些Counter的值也会持续增加。但是，我们知道有问题却不知道哪里有问题，所以一般使用Performance Monitor来验证是否有内存泄漏，而使用BoundsChecker来找到和解决。
当Performance Monitor显示有内存泄漏，而BoundsChecker却无法检测到，这时有两种可能：第一种，发生了偶发性内存泄漏。这时你要确保使用Performance Monitor和使用BoundsChecker时，程序的运行环境和操作方法是一致的。第二种，发生了隐式的内存泄漏。这时你要重新审查程序的设计，然后仔细研究Performance Monitor记录的Counter的值的变化图，分析其中的变化和程序运行逻辑的关系，找到一些可能的原因。这是一个痛苦的过程，充满了假设、猜想、验证、失败，但这也是一个积累经验的绝好机会。
总结
内存泄漏是个大而复杂的问题，即使是Java和.Net这样有Gabarge Collection机制的环境，也存在着泄漏的可能，比如隐式内存泄漏。由于篇幅和能力的限制，本文只能对这个主题做一个粗浅的研究。其他的问题，比如多模块下的泄漏检测，如何在程序运行时对内存使用情况进行分析等等，都是可以深入研究的题目。如果您有什么想法，建议或发现了某些错误，欢迎和我交流