C/C++ 編程語(yǔ)言的最強(qiáng)大功能之一便是其動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存，但是中國(guó)有句古話：“最大的長(zhǎng)處也可能成為最大的弱點(diǎn)”，那么 C/C++ 應(yīng)用程序正好印證了這句話。在 C/C++ 應(yīng)用程序開發(fā)過程中，動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存處理不當(dāng)是最常見的問題。其中，最難捉摸也最難檢測(cè)的錯(cuò)誤之一就是內(nèi)存泄漏，即未能正確釋放以前分配的內(nèi)存的錯(cuò)誤。偶爾發(fā)生的少量?jī)?nèi)存泄漏可能不會(huì)引起我們的注意，但泄漏大量?jī)?nèi)存的程序或泄漏日益增多的程序可能會(huì)表現(xiàn)出各種 各樣的征兆：從性能不良（并且逐漸降低）到內(nèi)存完全耗盡。更糟的是，泄漏的程序可能會(huì)用掉太多內(nèi)存，導(dǎo)致另外一個(gè)程序垮掉，而使用戶無(wú)從查找問題的真正根源。此外，即使無(wú)害的內(nèi)存泄漏也可能殃及池魚。
幸運(yùn)的是，Visual Studio 調(diào)試器和 C 運(yùn)行時(shí) (CRT) 庫(kù)為我們提供了檢測(cè)和識(shí)別內(nèi)存泄漏的有效方法。下面請(qǐng)和我一起分享收獲——如何使用 CRT 調(diào)試功能來(lái)檢測(cè)內(nèi)存泄漏？
一、如何啟用內(nèi)存泄漏檢測(cè)機(jī)制
VC++ IDE 的默認(rèn)狀態(tài)是沒有啟用內(nèi)存泄漏檢測(cè)機(jī)制的，也就是說即使某段代碼有內(nèi)存泄漏，調(diào)試會(huì)話的 Output 窗口的 Debug 頁(yè)不會(huì)輸出有關(guān)內(nèi)存泄漏信息。你必須設(shè)定兩個(gè)最基本的機(jī)關(guān)來(lái)啟用內(nèi)存泄漏檢測(cè)機(jī)制。
一是使用調(diào)試堆函數(shù)：
#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include<stdlib.h>
#include<crtdbg.h>
注意：#include 語(yǔ)句的順序。如果更改此順序，所使用的函數(shù)可能無(wú)法正確工作。
通過包含 crtdbg.h 頭文件，可以將 malloc 和 free 函數(shù)映射到其“調(diào)試”版本 _malloc_dbg 和 _free_dbg，這些函數(shù)會(huì)跟蹤內(nèi)存分配和釋放。此映射只在調(diào)試（Debug）版本（也就是要定義 _DEBUG）中有效。發(fā)行版本（Release）使用普通的 malloc 和 free 函數(shù)。#define 語(yǔ)句將 CRT 堆函數(shù)的基礎(chǔ)版本映射到對(duì)應(yīng)的“調(diào)試”版本。該語(yǔ)句不是必須的，但如果沒有該語(yǔ)句，那么有關(guān)內(nèi)存泄漏的信息會(huì)不全。
二是在需要檢測(cè)內(nèi)存泄漏的地方添加下面這條語(yǔ)句來(lái)輸出內(nèi)存泄漏信息：
_CrtDumpMemoryLeaks();
當(dāng)在調(diào)試器下運(yùn)行程序時(shí)，_CrtDumpMemoryLeaks 將在 Output 窗口的 Debug 頁(yè)中顯示內(nèi)存泄漏信息。比如： Detected memory leaks!
Dumping objects ->
C:\Temp\memleak\memleak.cpp(15) : {45} normal block at 0x00441BA0, 2 bytes long.
Data: <AB> 41 42
c:\program files\microsoft visual studio\vc98\include\crtdbg.h(552) : {44} normal
block at 0x00441BD0, 33 bytes long.
Data: < C > 00 43 00 CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
c:\program files\microsoft visual studio\vc98\include\crtdbg.h(552) : {43} normal
block at 0x00441C20, 40 bytes long.
Data: < C > 08 02 43 00 16 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Object dump complete.
如果不使用 #define _CRTDBG_MAP_ALLOC 語(yǔ)句，內(nèi)存泄漏的輸出是這樣的：
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{45} normal block at 0x00441BA0, 2 bytes long.
Data: <AB> 41 42
{44} normal block at 0x00441BD0, 33 bytes long.
Data: < C > 00 43 00 CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
{43} normal block at 0x00441C20, 40 bytes long.
Data: < C > C0 01 43 00 16 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Object dump complete.
根據(jù)這段輸出信息，你無(wú)法知道在哪個(gè)源程序文件里發(fā)生了內(nèi)存泄漏。下面我們來(lái)研究一下輸出信息的格式。第一行和第二行沒有什么可說的，從第三行開始：
xx}：花括弧內(nèi)的數(shù)字是內(nèi)存分配序號(hào)，本文例子中是 {45}，{44}，{43}；
block：內(nèi)存塊的類型，常用的有三種：normal（普通）、client（客戶端）或 CRT（運(yùn)行時(shí)）；本文例子中是：normal block；
用十六進(jìn)制格式表示的內(nèi)存位置，如：at 0x00441BA0 等；
以字節(jié)為單位表示的內(nèi)存塊的大小，如：32 bytes long；
前 16 字節(jié)的內(nèi)容（也是用十六進(jìn)制格式表示），如：Data: 41 42 等；
仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，如果定義了 _CRTDBG_MAP_ALLOC ，那么在內(nèi)存分配序號(hào)前面還會(huì)顯示在其中分配泄漏內(nèi)存的文件名，以及文件名后括號(hào)中的數(shù)字表示發(fā)生泄漏的代碼行號(hào)，比如：
C:\Temp\memleak\memleak.cpp(15)
雙擊 Output 窗口中此文件名所在的輸出行，便可跳到源程序文件分配該內(nèi)存的代碼行（也可以選中該行，然后按 F4，效果一樣） ，這樣一來(lái)我們就很容易定位內(nèi)存泄漏是在哪里發(fā)生的了，因此，_CRTDBG_MAP_ALLOC 的作用顯而易見。
使用 _CrtSetDbgFlag
如果程序只有一個(gè)出口，那么調(diào)用 _CrtDumpMemoryLeaks 的位置是很容易選擇的。但是，如果程序可能會(huì)在多個(gè)地方退出該怎么辦呢？在每一個(gè)可能的出口處調(diào)用 _CrtDumpMemoryLeaks 肯定是不可取的，那么這時(shí)可以在程序開始處包含下面的調(diào)用：_CrtSetDbgFlag ( _CRTDBG_ALLOC_MEM_DF | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF );這條語(yǔ)句無(wú)論程序在什么地方退出都會(huì)自動(dòng)調(diào)用 _CrtDumpMemoryLeaks。注意：這里必須同時(shí)設(shè)置兩個(gè)位域標(biāo)志：_CRTDBG_ALLOC_MEM_DF 和 _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF。
設(shè)置 CRT 報(bào)告模式
默認(rèn)情況下，_CrtDumpMemoryLeaks 將內(nèi)存泄漏信息 dump 到 Output 窗口的 Debug 頁(yè)， 如果你想將這個(gè)輸出定向到別的地方，可以使用 _CrtSetReportMode 進(jìn)行重置。如果你使用某個(gè)庫(kù)，它可能將輸出定向到另一位置。此時(shí)，只要使用以下語(yǔ)句將輸出位置設(shè)回 Output 窗口即可：
_CrtSetReportMode( _CRT_ERROR, _CRTDBG_MODE_DEBUG );
有關(guān)使用 _CrtSetReportMode 的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考 MSDN 庫(kù)關(guān)于 _CrtSetReportMode 的描述。
二、解釋內(nèi)存塊類型
前面已經(jīng)說過，內(nèi)存泄漏報(bào)告中把每一塊泄漏的內(nèi)存分為 normal（普通塊）、client（客戶端塊）和 CRT 塊。事實(shí)上，需要留心和注意的也就是 normal 和 client，即普通塊和客戶端塊。
1.normal block（普通塊）：這是由你的程序分配的內(nèi)存。
2.client block（客戶塊）：這是一種特殊類型的內(nèi)存塊，專門用于 MFC 程序中需要析構(gòu)函數(shù)的對(duì)象。MFC new 操作符視具體情況既可以為所創(chuàng)建的對(duì)象建立普通塊，也可以為之建立客戶塊。
3.CRT block（CRT 塊）：是由 C RunTime Library 供自己使用而分配的內(nèi)存塊。由 CRT 庫(kù)自己來(lái)管理這些內(nèi)存的分配與釋放，我們一般不會(huì)在內(nèi)存泄漏報(bào)告中發(fā)現(xiàn) CRT 內(nèi)存泄漏，除非程序發(fā)生了嚴(yán)重的錯(cuò)誤（例如 CRT 庫(kù)崩潰）。
除了上述的類型外，還有下面這兩種類型的內(nèi)存塊，它們不會(huì)出現(xiàn)在內(nèi)存泄漏報(bào)告中：
1.free block（空閑塊）：已經(jīng)被釋放(free)的內(nèi)存塊。
2.Ignore block（忽略塊）：這是程序員顯式聲明過不要在內(nèi)存泄漏報(bào)告中出現(xiàn)的內(nèi)存塊。
三、如何在內(nèi)存分配序號(hào)處設(shè)置斷點(diǎn)
在內(nèi)存泄漏報(bào)告中，的文件名和行號(hào)可告訴分配泄漏的內(nèi)存的代碼位置，但僅僅依賴這些信息來(lái)了解完整的泄漏原因是不夠的。因?yàn)橐粋€(gè)程序在運(yùn)行時(shí)，一段分配內(nèi)存的代碼可能會(huì)被調(diào)用很多次，只要有一次調(diào)用后沒有釋放內(nèi)存就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。為了確定是哪些內(nèi)存沒有被釋放，不僅要知道泄漏的內(nèi)存是在哪里分配的，還要知道泄漏產(chǎn)生的條件。這時(shí)內(nèi)存分配序號(hào)就顯得特別有用——這個(gè)序號(hào)就是文件名和行號(hào)之后的花括弧里的那個(gè)數(shù)字。
例如，在本文例子代碼的輸出信息中，“45”是內(nèi)存分配序號(hào)，意思是泄漏的內(nèi)存是你程序中分配的第四十五個(gè)內(nèi)存塊：
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
C:\Temp\memleak\memleak.cpp(15) : {45} normal block at 0x00441BA0, 2 bytes long.
Data: <AB> 41 42
......
Object dump complete.
CRT 庫(kù)對(duì)程序運(yùn)行期間分配的所有內(nèi)存塊進(jìn)行計(jì)數(shù)，包括由 CRT 庫(kù)自己分配的內(nèi)存和其它庫(kù)（如 MFC）分配的內(nèi)存。因此，分配序號(hào)為 N 的對(duì)象即為程序中分配的第 N 個(gè)對(duì)象，但不一定是代碼分配的第 N 個(gè)對(duì)象。（大多數(shù)情況下并非如此。）這樣的話，你便可以利用分配序號(hào)在分配內(nèi)存的位置設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)。方法是在程序起始附近設(shè)置一個(gè)位置斷點(diǎn)。當(dāng)程序在該點(diǎn)中斷時(shí)，可以從 QuickWatch（快速監(jiān)視）對(duì)話框或 Watch（監(jiān)視）窗口設(shè)置一個(gè)內(nèi)存分配斷點(diǎn)：
例如，在 Watch 窗口中，在 Name 欄鍵入下面的表達(dá)式：
_crtBreakAlloc
如果要使用 CRT 庫(kù)的多線程 DLL 版本（/MD 選項(xiàng)），那么必須包含上下文操作符，像這樣：
{,,msvcrtd.dll}_crtBreakAlloc
現(xiàn)在按下回車鍵，調(diào)試器將計(jì)算該值并把結(jié)果放入 Value 欄。如果沒有在內(nèi)存分配點(diǎn)設(shè)置任何斷點(diǎn)，該值將為 –1。
用你想要在其位置中斷的內(nèi)存分配的分配序號(hào)替換 Value 欄中的值。例如輸入 45。這樣就會(huì)在分配序號(hào)為 45 的地方中斷。
在所感興趣的內(nèi)存分配處設(shè)置斷點(diǎn)后，可以繼續(xù)調(diào)試。這時(shí)，運(yùn)行程序時(shí)一定要小心，要保證內(nèi)存塊分配的順序不會(huì)改變。當(dāng)程序在指定的內(nèi)存分配處中斷時(shí)，可以查看 Call Stack（調(diào)用堆棧）窗口和其它調(diào)試器信息以確定分配內(nèi)存時(shí)的情況。如果必要，可以從該點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行程序，以查看對(duì)象發(fā)生了什么情況，或許可以確定未正確釋放對(duì)象的原因。
盡管通常在調(diào)試器中設(shè)置內(nèi)存分配斷點(diǎn)更方便，但如果愿意，也可在代碼中設(shè)置這些斷點(diǎn)。為了在代碼中設(shè)置一個(gè)內(nèi)存分配斷點(diǎn)，可以增加這樣一行（對(duì)于第四十五個(gè)內(nèi)存分配）：
_crtBreakAlloc = 45;
你還可以使用有相同效果的 _CrtSetBreakAlloc 函數(shù)：
_CrtSetBreakAlloc(45);
四、如何比較內(nèi)存狀態(tài)
定位內(nèi)存泄漏的另一個(gè)方法就是在關(guān)鍵點(diǎn)獲取應(yīng)用程序內(nèi)存狀態(tài)的快照。CRT 庫(kù)提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)類型 _CrtMemState。你可以用它來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存狀態(tài)的快照：
_CrtMemState s1, s2, s3;
若要獲取給定點(diǎn)的內(nèi)存狀態(tài)快照，可以向 _CrtMemCheckpoint 函數(shù)傳遞一個(gè) _CrtMemState 結(jié)構(gòu)。該函數(shù)用當(dāng)前內(nèi)存狀態(tài)的快照填充此結(jié)構(gòu)：
_CrtMemCheckpoint( &s1 );
通過向 _CrtMemDumpStatistics 函數(shù)傳遞 _CrtMemState 結(jié)構(gòu)，可以在任意地方 dump 該結(jié)構(gòu)的內(nèi)容：
_CrtMemDumpStatistics( &s1 );
該函數(shù)輸出如下格式的 dump 內(nèi)存分配信息：
0 bytes in 0 Free Blocks.
75 bytes in 3 Normal Blocks.
5037 bytes in 41 CRT Blocks.
0 bytes in 0 Ignore Blocks.
0 bytes in 0 Client Blocks.
Largest number used: 5308 bytes.
Total allocations: 7559 bytes.
若要確定某段代碼中是否發(fā)生了內(nèi)存泄漏，可以通過獲取該段代碼之前和之后的內(nèi)存狀態(tài)快照，然后使用 _CrtMemDifference 比較這兩個(gè)狀態(tài)：
_CrtMemCheckpoint( &s1 );// 獲取第一個(gè)內(nèi)存狀態(tài)快照
// 在這里進(jìn)行內(nèi)存分配
_CrtMemCheckpoint( &s2 );// 獲取第二個(gè)內(nèi)存狀態(tài)快照
// 比較兩個(gè)內(nèi)存快照的差異
if ( _CrtMemDifference( &s3, &s1, &s2) )
_CrtMemDumpStatistics( &s3 );// dump 差異結(jié)果
顧名思義，_CrtMemDifference 比較兩個(gè)內(nèi)存狀態(tài)（前兩個(gè)參數(shù)），生成這兩個(gè)狀態(tài)之間差異的結(jié)果（第三個(gè)參數(shù)）。在程序的開始和結(jié)尾放置 _CrtMemCheckpoint 調(diào)用，并使用 _CrtMemDifference 比較結(jié)果，是檢查內(nèi)存泄漏的另一種方法。如果檢測(cè)到泄漏，則可以使用 _CrtMemCheckpoint 調(diào)用通過二進(jìn)制搜索技術(shù)來(lái)分割程序和定位泄漏。
五、結(jié)論
盡管 VC ++ 具有一套專門調(diào)試 MFC 應(yīng)用程序的機(jī)制，但本文上述
討論的內(nèi)存分配很簡(jiǎn)單，沒有涉及到 MFC 對(duì)象，所以這些內(nèi)容同樣也適用于 MFC 程序。在 MSDN 庫(kù)中可以找到很多有關(guān) VC++ 調(diào)試方面的資料，如果你能善用 MSDN 庫(kù)，相信用不了多少時(shí)間你就有可能成為調(diào)試高手。