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大家看我寫了這么長(zhǎng)時(shí)間C++文章，殊不知我在工作中已經(jīng)一年多沒(méi)有用過(guò)C++了，最近做一個(gè)新項(xiàng)目，終于又回到C++的懷抱了，有點(diǎn)激動(dòng)，也有點(diǎn)不適應(yīng)。

不管使用什么語(yǔ)言，一定要處理好內(nèi)存問(wèn)題，要有檢測(cè)內(nèi)存問(wèn)題的方法論，于是擼了個(gè)檢測(cè)是否有泄漏的小工具，這里分享一波。

先貼個(gè)效果圖：

實(shí)現(xiàn)方法

眾所周知C++中申請(qǐng)和釋放內(nèi)存使用的是new和delete關(guān)鍵字：

 
 
 
 

  
  
  
  
void func() { 
  
  
  
  
    A* a = new A(); 
  
  
  
  
    delete a; 
  
  
  
  
    A* b = new int[4]; 
  
  
  
  
    delete[] b; 
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

再明確下需求：如果程序中存在內(nèi)存泄漏，我們的目的是找到這些內(nèi)存是在哪里分配的，如果能夠具體對(duì)應(yīng)到代碼中哪一個(gè)文件的那一行代碼最好。好了需求明確了，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)存在哪里釋放的我們沒(méi)必要監(jiān)測(cè)，只需要檢測(cè)出內(nèi)存是在哪里申請(qǐng)的即可，如何檢測(cè)呢?

整體思路很簡(jiǎn)單：在申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)記錄下該內(nèi)存的地址和在代碼中申請(qǐng)內(nèi)存的位置，在內(nèi)存銷毀時(shí)刪除該地址對(duì)應(yīng)的記錄，程序最后統(tǒng)計(jì)下還有哪條記錄沒(méi)有被刪除，如果還有沒(méi)被刪除的記錄就代表有內(nèi)存泄漏。

很多人應(yīng)該都知道new關(guān)鍵字更底層是通過(guò)operator new來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存的：

 
 
 
 

  
  
  
  
void* operator new(std::size_t sz) 
 
 
 
 

也就是正常情況下C++都是通過(guò)operator new(std::size_t sz)來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存，而這個(gè)操作符我們可以重載：

 
 
 
 

  
  
  
  
void* operator new(std::size_t size, const char* file, int line); 
  
  
  
  
void* operator new[](std::size_t size, const char* file, int line); 
 
 
 
 

tip：new和new[]的區(qū)別我就不具體介紹了，太基礎(chǔ)。

如果能讓程序申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)調(diào)用重載的這個(gè)函數(shù)，就可以記錄下內(nèi)存申請(qǐng)的具體位置啦。

怎么能夠讓底層程序申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)調(diào)用重載的這個(gè)函數(shù)呢?這里可以對(duì)new使用宏定義：

 
 
 
 

  
  
  
  
#define new new (__FILE__, __LINE__) 
 
 
 
 

有了這個(gè)宏定義后，在new A的時(shí)候底層就會(huì)自動(dòng)調(diào)用operator new(std::size_t size, const char* file, int line)函數(shù)，至此達(dá)到了我們記錄內(nèi)存申請(qǐng)位置的目的。

這里有兩個(gè)問(wèn)題：

1. 在哪里記錄內(nèi)存申請(qǐng)的位置等信息呢?如果在operator new內(nèi)部又申請(qǐng)了一塊內(nèi)存，用于記錄位置，那新申請(qǐng)的這塊內(nèi)存需要記錄不?這豈不是遞歸調(diào)用了?
2. 只有在new宏定義包裹范圍內(nèi)申請(qǐng)了內(nèi)存才會(huì)被記錄，然而某些第三方庫(kù)或者某些地方?jīng)]有被new宏定義包裹，可能就無(wú)法被監(jiān)測(cè)是否申請(qǐng)了內(nèi)存吧?

下面逐個(gè)擊破：

哪里存儲(chǔ)具體信息?

我們肯定不能讓它遞歸調(diào)用啊，那這些信息存儲(chǔ)在哪里呢?這里可以在每次申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，一次性申請(qǐng)一塊稍微大點(diǎn)的內(nèi)存，具體信息存儲(chǔ)在多余的那塊內(nèi)存里，像這樣：

 
 
 
 

  
  
  
  
static void* alloc_mem(std::size_t size, const char* file, int line, bool is_array) { 
  
  
  
  
    assert(line >= 0); 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    std::size_t s = size + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE; 
  
  
  
  
    new_ptr_list_t* ptr = (new_ptr_list_t*)malloc(s); 
  
  
  
  
    if (ptr == nullptr) { 
  
  
  
  
        std::unique_lock lock(new_output_lock); 
  
  
  
  
        printf("Out of memory when allocating %lu bytes\n", (unsigned long)size); 
  
  
  
  
        abort(); 
  
  
  
  
    } 
  
  
  
  
    void* usr_ptr = (char*)ptr + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    if (line) { 
  
  
  
  
        strncpy(ptr->file, file, _DEBUG_NEW_FILENAME_LEN - 1)[_DEBUG_NEW_FILENAME_LEN - 1] = '\0'; 
  
  
  
  
    } else { 
  
  
  
  
        ptr->addr = (void*)file; 
  
  
  
  
    } 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    ptr->line = line; 
  
  
  
  
    ptr->is_array = is_array; 
  
  
  
  
    ptr->size = size; 
  
  
  
  
    ptr->magic = DEBUG_NEW_MAGIC; 
  
  
  
  
    { 
  
  
  
  
        std::unique_lock lock(new_ptr_lock); 
  
  
  
  
        ptr->prev = new_ptr_list.prev; 
  
  
  
  
        ptr->next = &new_ptr_list; 
  
  
  
  
        new_ptr_list.prev->next = ptr; 
  
  
  
  
        new_ptr_list.prev = ptr; 
  
  
  
  
    } 
  
  
  
  
    total_mem_alloc += size; 
  
  
  
  
    return usr_ptr; 
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

new_ptr_list_t結(jié)構(gòu)體定義如下：

 
 
 
 

  
  
  
  
struct new_ptr_list_t { 
  
  
  
  
    new_ptr_list_t* next; 
  
  
  
  
    new_ptr_list_t* prev; 
  
  
  
  
    std::size_t size; 
  
  
  
  
    union { 
  
  
  
  
        char file[200]; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
        void* addr; 
  
  
  
  
    }; 
  
  
  
  
    unsigned line; 
  
  
  
  
}; 
 
 
 
 

沒(méi)有被new宏包裹的地方可以檢測(cè)的到嗎?

沒(méi)有被new宏包裹的地方是會(huì)調(diào)用operator new(std::size_t sz)函數(shù)來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存的。這里operator new函數(shù)不只可以重載，還可以重新定義它的實(shí)現(xiàn)，而且不會(huì)報(bào)multi definition的錯(cuò)誤哦。因?yàn)樗且粋€(gè)weak symbol，有關(guān)strong symbol和weak symbol的知識(shí)點(diǎn)可以看我之前的一篇文章：《談?wù)劤绦蜴溄蛹胺侄文切┦隆?/p>

既然可以重定義，那就可以這樣：

 
 
 
 

  
  
  
  
void* operator new(std::size_t size) {  
  
  
  
  
    return operator new(size, nullptr, 0);  
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

這樣有個(gè)缺點(diǎn)，就是不能記錄內(nèi)存申請(qǐng)的具體代碼位置，只能記錄下來(lái)是否申請(qǐng)過(guò)內(nèi)存，不過(guò)這也挺好，怎么也比沒(méi)有任何感知強(qiáng)的多。

其實(shí)這里不是沒(méi)有辦法，盡管沒(méi)有了new宏，獲取不到具體申請(qǐng)內(nèi)存的代碼位置，但是可以獲取到調(diào)用棧信息，把調(diào)用棧信息存儲(chǔ)起來(lái)，還是可以定位大體位置。關(guān)于如何獲取調(diào)用棧信息，大家可以研究下libunwind庫(kù)看看。

釋放內(nèi)存時(shí)怎么辦?

這里需要重定義operator delete(void* ptr)函數(shù)：

 
 
 
 

  
  
  
  
void operator delete(void* ptr) noexcept {  
  
  
  
  
    free_pointer(ptr, nullptr, false);  
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

free_pointer函數(shù)的大體思路就是在鏈表中找到要對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，刪除掉，具體定義如下：

 
 
 
 

  
  
  
  
static void free_pointer(void* usr_ptr, void* addr, bool is_array) { 
  
  
  
  
    if (usr_ptr == nullptr) { 
  
  
  
  
        return; 
  
  
  
  
    } 
  
  
  
  
    new_ptr_list_t* ptr = (new_ptr_list_t*)((char*)usr_ptr - ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE); 
  
  
  
  
    { 
  
  
  
  
        std::unique_lock lock(new_ptr_lock); 
  
  
  
  
        total_mem_alloc -= ptr->size; 
  
  
  
  
        ptr->magic = 0; 
  
  
  
  
        ptr->prev->next = ptr->next; 
  
  
  
  
        ptr->next->prev = ptr->prev; 
  
  
  
  
    } 
  
  
  
  
    free(ptr); 
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

如何檢測(cè)是否有內(nèi)存泄漏?

遍歷鏈表即可，每次new時(shí)候會(huì)把這段內(nèi)存插入鏈表，delete時(shí)候會(huì)把這段內(nèi)存從鏈表中移出，如果程序最后鏈表長(zhǎng)度不為0，即為有內(nèi)存泄漏，代碼如下：

 
 
 
 

  
  
  
  
int checkLeaks() { 
  
  
  
  
    int leak_cnt = 0; 
  
  
  
  
    int whitelisted_leak_cnt = 0; 
  
  
  
  
    new_ptr_list_t* ptr = new_ptr_list.next; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    while (ptr != &new_ptr_list) { 
  
  
  
  
        const char* const usr_ptr = (char*)ptr + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE; 
  
  
  
  
        printf("Leaked object at %p (size %lu, ", usr_ptr, (unsigned long)ptr->size); 
  
  
  
  
        if (ptr->line != 0) { 
  
  
  
  
            print_position(ptr->file, ptr->line); 
  
  
  
  
        } else { 
  
  
  
  
            print_position(ptr->addr, ptr->line); 
  
  
  
  
        } 
  
  
  
  
        printf(")\n"); 
  
  
  
  
        ptr = ptr->next; 
  
  
  
  
        ++leak_cnt; 
  
  
  
  
    } 
  
  
  
  
    return leak_cnt; 
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

ps：關(guān)于可以重定義operator new這個(gè)操作，我也是最近看到別人代碼后才發(fā)現(xiàn)，于是參考別人代碼小擼了個(gè)代碼檢測(cè)工具，希望大家有所收獲!

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