Linux下检查内存泄漏的工具

概述

　　内存泄漏(memory leak)指由于疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况，在大型的、复杂的应用程序中，内存泄漏是常见的问题。当以前分配的一片内存不再需要使用或无法访问时，但是却并没有释放它，这时就出现了内存泄漏。尽管优秀的编程实践可以确保最少的泄漏，但是根据经验，当使用大量的函数对相同的内存块进行处理时，很可能会出现内存泄漏。

　　内存泄露可以分为以下几类：
　　1． 常发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏。
　　2． 偶发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要。
　　3． 一次性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，导致总会有一块且仅一块内存发生泄漏。比如，在一个Singleton类的构造函数中分配内存，在析构函数中却没有释放该内存。而Singleton类只存在一个实例，所以内存泄漏只会发生一次。
　　4． 隐式内存泄漏。程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏。

内存泄漏检测工具

　　现在有很多方法来检测内存泄露，以下列举了linux常用的内存泄露检测工具。

　　1、mtrace

　　应用环境：Linux GLIBC

　　编程语言：C

　　使用方法： 包含头文件mcheck.h，定义环境变量MALLOC_TRACE为输出文件名，程序开始时调用mtrace()即可。

　　结果输出：用户指定的文件

　　设计思路： 为malloc,realloc,free函数添加钩子函数,记录每一对malloc-free的执行

　　优缺点：只能检查使用malloc/realloc/free造成的的内存泄露

　　如何获取：GLIBC自带，可直接使用

 

　　2、memwatch

　　应用环境：Linux

　　编程语言：C

　　使用方法：  加入memwatch.h，编译时加上-DMEMWATCH -DMW_STDIO及memwatch.c

　　结果输出：输出文件名称为memwatch.log，在程序执行期间，错误提示都会显示在stdout上

　　设计思路：将malloc/realloc/calloc/strdup/free等重定义为mwMalloc(sz, __FILE__, __LINE__)等，内部维护一个操作链表

　　优缺点：能检测双重释放（double-free）、错误释放（erroneous free）、内存泄漏（unfreed memory）、溢出(Overflow)、下溢(Underflow)等等

　　如何获取：http://memwatch.sourceforge.net/

 

　　3、valgrind

　　应用环境：Linux

　　编程语言：C/C++

　　使用方法：  编译时加上-g选项，如 gcc -g filename.c  -o filename,使用如下命令检测内存使用情况：

　　结果输出：#valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes --show-reachable=yes ./filename，就会看到内存使用报告

　　设计思路：根据软件的内存操作维护一个有效地址空间表和无效地址空间表（进程的地址空间）

　　优缺点：能够检测：

• 使用未初始化的内存 (Use of uninitialised memory)
• 使用已经释放了的内存 (Reading/writing memory after it has been free’d)
• 使用超过 malloc分配的内存空间(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)
• 对堆栈的非法访问 (Reading/writing inappropriate areas on the stack)
• 申请的空间是否有释放 (Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)
• malloc/free/new/delete申请和释放内存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])
• src和dst的重叠(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)
• 重复free

　　如何获取：http://valgrind.org/

　　4、debug_new

　　应用环境：Linux/Windows

　　编程语言：C++

　　使用方法： 包含头文件debug_new.h，链接debug_new.cpp

　　结果输出：控制台console

　　设计思路： 通过重载new和delete操作符来捕获内存申请/释放请求，并在程序内部维护一个全局静态变量的哈希链表。在new操作符中，不仅仅分配用户所要求的内存，而是在为每次分配的内存都添加一个头部，存储着此次分配的位置信息和链表指针，new返回的是分配的这块内存加上头部偏移后的值，而在之前已经将此返回值作了HASH计算并添加到HASH链表中了。delete的时候先根据要释放的指针地址做HASH计算，然后再遍历数组HASH值处的链表进行查找，如果找到则将该节点移除，未找到就abort。这样在程序结束之后，通过检查此数组中是否还有未释放的内存块来确定是否有内存泄露。

　　优缺点：跨平台，仅用于C++程序，

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

 

总结

以上的这些分析工具，所使用的方法大致分为以下几种：

1、注册内存分配/释放钩子函数(hook)。在Linux下可以malloc_hook, free_hook等5个钩子函数，在Windows下可以注册_CrtSetAllocHook钩子函数，这样在分配内存的时候就可以捕获这一请求并加以处理。Visual Leak Detecter和mtrace使用此方式。

2、使用宏定义替换。将用户代码中的malloc, free 替换为宏定义的 mwMalloc(sz, __FILE__, __LINE__)等自定义函数，从而跟踪内存请求，memwatch即使用此方式。

3、操作符重载。此方法仅用于C++语言中，通过重载new、delete操作符来实现跟踪内存请求，重载后的操作符类似于钩子函数意义。debug_new采用此方式。

 

这些工具的输出方式也分以下几种：

1、普通环境下一般输出到调试窗口中，很多软件本身就提供了一个理想的输出场所，并且GUI应用程序输出到标准输出时不可见的。Visual Leak Detecter采用此法。

2、输出到标准输出或标准错误输出：控制台应用程序可以输出到屏幕，如memwatch, valgrind, debug_new都是采用这种方法。

3、输出到日志文件：将结果输出到用户指定或默认的日志文件中，如mtrace和memwatch。

 

此外，这些工具的内存检测方式无非也分为两种：

1、维护一个内存操作链表，当有内存申请操作时，将其加入此链表中，当有释放操作时，从申请操作从链表中移除。如果到程序结束后此链表中还有内容，说明有内存泄露了；如果要释放的内存操作没有在链表中找到对应操作，则说明是释放了多次。使用此方法的有内置的调试工具，Visual Leak Detecter，mtrace, memwatch, debug_new。

2、模拟进程的地址空间。仿照操作系统对进程内存操作的处理，在用户态下维护一个地址空间映射，此方法要求对进程地址空间的处理有较深的理解。因为Windows的进程地址空间分布不是开源的，所以模拟起来很困难，因此只支持Linux。采用此方法的是valgrind。