內存泄露相信對C++程序員來說都不陌生。解決內存泄露的方案多種多樣，大部分方案以追蹤檢測為主，這種方法實現起來容易，使用方便，也比較安全。
首先我們要確定這個模塊的主要功能：
- 能追蹤內存的分配和釋放過程。
- 要能顯示內存分配的相關信息，比如內存塊大小，代碼所在文件所在行等。
- 在發現內存泄露時及時給出相關信息。
- 能正確處理一些異常情況，比如內存不足，對象初始化失敗等等。
- 是線程安全的。[*這個還沒有實現]
有了一些基本功能需求，我們需要考慮每種功能怎么去實現。首先，我們可以通過重載的方式來追蹤new,delete.malloc和free，C++給我提供了這樣的特性。因為本文主要針對C++，所以主要講重載new,delete的方法，malloc和free的重載實現于此類似，最終版本的程序中也實現了malloc和free的重載。
1.重載new和delete
首先我們要了解一下new和delete是怎么工作的。C++中的操作符最終都會被轉換成函數形式，例如"new int"會變成"opetaor new(sizeof(int))"，而"new double[10]"會變成"operator new(sizeof(double)*10)"，同樣“delete p”就變成了"operator delete(p)"。另外一個需要特別注意的地方是，new對于用戶定義的數據類型（即你的自定義類）會自動調用該類型的構造函數，如果構造函數沒有拋出異常，則正確分配，否則會中斷分配操作，將異常傳遞給用戶。默認情況下，new可以對象構造異常進行捕獲。另外一個版本的new就是不帶捕獲異常功能的的了，所以C++系統提供的new和delete有：
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void* operator new(size_t size)throw(std::bad_alloc);
void* operator new[](size_t size) throw(std::bad_alloc);
void* operator new(size_t,std::nothrow_t&)throw();
void* operator new[](size_t,std::nothrow_t&)throw();
void operator delete(void* pointer);
void operator delete[](void* pointer);
void operator delete(void* pointer,std::nothrow_t&);
void operator delete[](void* pointer,std::nothrow_t&);<br>
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其中，nothrow_t是一個空結構體“struct nothrow_t{}"，它的一個實例就是nothrow，C++用它來區分可以捕獲異常的new和不可捕獲異常的new。我們不能直接修改內部函數的行為，但是我們可以重載它們。為了實現提供內存分配信息的功能，我們給重載的函數加上幾個參數。得到以下函數：
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void* operator new(size_t size);
void* operator new[](size_t size);
void* operator new(size_t,std::nothrow_t&)throw();
void* operator new[](size_t,std::nothrow_t&)throw();
void* operator new(size_t size,const char* file,const char* func,const int line)throw(std::bad_alloc);
void* operator new[](size_t size,const char* file,const char* func,const int line) throw(std::bad_alloc);
void* operator delete(void* pointer);
void* operator delete[](void* pointer);
void operator delete(void* pointer,const char* file,const char* func,const int line);
void operator delete[](void* pointer,const char* file,const char* func,const int line);
void operator delete(void* pointer,std::nothrow_t&);
void operator delete[](void* pointer,std::nothrow_t&);
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中間的幾個函數，就是我們主要需要重載的函數，模塊的大部分工作也都由著幾個函數完成。這些函數參數中，file表示分配代碼所在的文件名，func表示代碼所在的函數名，line表示代碼行號。這幾個參數信息我們可以通過編譯器預定義好的幾個宏來獲得：__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__。也就是說可以將"new ..."替換成"new(__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__) ..."，最終成為"operator new(sizeof(...),__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__)"的形式，也就達到了我們的目的。關于 placement delete將在下面詳細解釋。
2.空間分配
接下來我們要考慮內存分配信息的組織問題了。我們先來了解一下編譯器是怎么組織的。在大部分編譯器中，new所分配的空間都要大于實際申請的空間，大出來的部分就是編譯器定義的內存塊的信息，包括了內存塊的大小還有一些其他信息。如下圖所示：
我們把包含內存分配信息的部分叫做cookie數據。為了方便，我們把cookie數據放在分配的內存的起始位置，之后緊接有效數據區。我們還需要把返回給調用者的指針和new分配的數據區聯系起來，原本想用性能比較好的STL的map數據結構來儲存這些數據，但是map內部同樣也使用new來分配內存，所以如果直接使用map來儲存，就會陷入死循環中。所以這里我們必須自己現實一個數據結構。我們可以對返回給調用者的地址進行Hash，得到hash 表中的地址，具有相同Hash值的數據我們用一個單向鏈表連接起來。最終的數據結構如下圖所示：
2.1.構造函數中的異常
另外一個必須要注意的一點是，new操作符會先分配空間然后調用用戶自定義類型的構造函數，如果構造函數拋出異常，需要用戶手動釋放已分配的內存。問題在于釋放這樣的內存不能用一般的delete操作符，可以用一個例子來說明：
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#include <stdio.h>
#include <stdexcept>
void* operator new(size_t size, int line) {
printf("Allocate %u bytes on line %d\\n", size, line);
return operator new(size);
}
class UserClass {
public:
UserClass(int n)throw(){
if(n<=0){
throw std::runtime_error("n must be positive");
}
}
};
int main(){
try{
UserClass* myobj=new(__LINE__) UserClass(-10);
delete myobj;
} catch(const std::runtime_error& e) {
fprintf(stderr,"Exception: %s\n",e.what());
}
return 0;
}<br>
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這里，雖然在new過后試圖使用delete釋放已經分配的內存，但是實際上不會釋放。也許你的編譯器會給出這樣一條消息：
“no matching operator delete found”
為了正確處理這種情況，并給用戶提供相關的信息，我們需要定義placement delete操作符。placement delete是C++98標準中才有的一個特性，所以對于某些老的編譯器（大致可以認為是指那些98年以前編寫的編譯器）不支持這個特性。這需要在模塊中添加宏定義讓用戶可以關閉placement delete的定義，以便模塊能在較老的編譯器上編譯。以下就是需要定義的placement delete操作符：
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void operator delete(void* pointer,const char* file,const char* func,const int line);
void operator delete[](void* pointer,const char* file,const char* func,const int line);
void operator delete(void* pointer,std::nothrow_t&);
void operator delete[](void* pointer,std::nothrow_t&);<br>
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3.檢查內存泄露
有了上面的實現，我們可以方便的手動檢測內存泄露。通過一個函數來實現，它會檢索整個hash表，如果表不為空則存在內存泄露。
為了達到在最后程序退出時檢查內存泄露的目的，我們需要在所有對象調用析構函數后進行內存泄露檢測，這是因為某些用戶類型在構造函數里調用new而在析構函數里調用delete。這樣做能大大的減小誤報的概率。而且因為對象的析構函數的調用往往在主函數main()執行結束之后進行，所以我們也不能直接在主函數里進行內存泄露檢測。這里我們利用一個全局對象來實現這種檢測。首先我們定義一個類：
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class MemCheck{
public:
MemCheck(){
memset(pTable,0,sizeof(mc_block_node_t*) * MC_HASHTABLESIZE);
}
~MemCheck(){
if(mc_checkmem()){
abort();
}
}
};
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這里的構造函數初始化Hash表。析構函數檢測內存泄露。然后定義一個MemCheck的全局靜態對象，這樣當程序運行之前會初始化hash表，程序退出時檢測內存泄露。可是問題又來了，如果一個程序中有多個全局靜態對象會怎樣？不幸的是，對于全局靜態對象的構造順序和析構順序是C++標準中的一個未定義問題，也就是說，這個順序取決于編譯器的具體實現。考慮，絕大多數平臺使用VC和GCC編譯器，我們可以針對這兩種編譯器來控制全局對象的構造和解析順序。
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#ifdef _MSC_VER
#pragma init_seg(lib)
#endif
static MemCheck mc_autocheck_object
#ifdef __GNUC__
__attribute__((init_priority (101)))
#endif
;
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這里的宏定義部分都是編譯器的選項。
posted on 2011-04-05 20:11
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C++