C++ 内存泄露和检测

C++ 中的内存泄露一般指堆中的内存泄露。堆内存是我们手动 malloc/realloc/new 申请的，程序不会自动回收，需要调用 free 或 delete 手动释放，否则就会造成内存泄露。内存泄露其实还应该包括系统资料的泄露，比如 socket 连接等，使用完后也要释放。

内存泄露的原因：

总结下来，内存泄露大概有一下几个原因：

1、编码错误：malloc、realloc、new 申请的内存在堆上，需要手动显示释放，调用 free 或 delete。申请和释放必须成对出现 malloc/realloc 对应 free，new 对应 delete。前者不会运行构造 / 析构函数，后者会。对于 C++ 内置数据类型可能没差别，但是对于自己构造的类，可能在析构函数中释放系统资源或释放内存，所以要对应使用。

2、“无主” 内存：申请内存后，指针指向内存的起始地址，若丢失或修改这个指针，那么申请的内存将丢失且没有释放。

3、异常分支导致资源未释放：程序正常执行没有问题，但是如果遇到异常，正常执行的顺序或分支会被打断，得不到执行。所以在异常处理的代码中，要确保系统资源的释放。

4、隐式内存泄露：程序运行中不断申请内存，但是直到程序结束才释放。有些服务器会申请大量内存作为缓存，或申请大量 Socket 资源作为连接池，这些资源一直占用直到程序退出。服务器运行起来一般持续几个月，不及时释放可能会导致内存耗尽。

5、类的析构函数为非虚函数：析构函数为虚函数，利用多态来调用指针指向对象的析构函数，而不是基类的析构函数。

内存泄露的检测

内存泄露的关键就是记录分配的内存和释放内存的操作，看看能不能匹配。跟踪每一块内存的声明周期，例如：每当申请一块内存后，把指向它的指针加入到 List 中，当释放时，再把对应的指针从 List 中删除，到程序最后检查 List 就可以知道有没有内存泄露了。Window 平台下的 Visual Studio 调试器和 C 运行时（CRT）就是用这个原理来检测内存泄露。

在 VS 中使用时，需加上

#define _CRTDBG_MAP_ALLOC

#include <crtdbg.h>

crtdbg.h 的作用是将 malloc 和 free 函数映射到它们的调试版本_malloc_dbg 和_free_dbg，这两个函数将跟踪内存分配和释放（在 Debug 版本中有效）

_CrtDumpMemoryLeaks();

函数将显示当前内存泄露，也就是说程序运行到此行代码时的内存泄露，所有未销毁的对象都会报出内存泄露，因此要让这个函数尽量放到最后。

例如：

#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <crtdbg.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc,char** argv)
{
char *str1 = NULL;
char *str2 = NULL;
str1=new char[100];
str2=new char[50];
delete str1;
_CrtDumpMemoryLeaks();
return 0;
}

上述代码中，内存申请了两块，但是只释放了一块，运行调试，会在 output 窗口输出：

Dumping objects ->
{136} normal block at 0x00084D70, 50 bytes long.
Data: < > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

可以看到会检测到内存泄露。但是并没有检测到泄露内存申请的位置，已经加了宏定义 #define _CRTDBG_MAP_ALLOC。原因是申请内存用的是 new，而刚刚包含头文件和加宏定义是重载了 malloc 函数，并没有重载 new 操作符，所以要自己定义重载 new 操作符才能检测到泄露内存的申请位置。修改如下：

#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <crtdbg.h>
#ifdef _DEBUG // 重载 new
#define new new(_NORMAL_BLOCK, __FILE__, __LINE__)
#endif
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc,char** argv)
{
char *str1 = NULL;
char *str2 = NULL;
str1=(char*)malloc(100);
str2=new char[50];
_CrtDumpMemoryLeaks();
return 0;
}

运行结果：

Detected memory leaks!
Dumping objects ->
e:\c++\test\ 内存泄露检测 2\main.cpp (13) : {62} normal block at 0x001714F8, 50 bytes long.
Data: < > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
e:\c++\test\ 内存泄露检测 2\main.cpp (12) : {61} normal block at 0x00171458, 100 bytes long.
Data: < > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

可以看到

main.cpp () 括号里面的数字就是泄露内存的起始位置。那么后面的 {62} normal block at 0x001714F8, 50 bytes long.
代表什么？

大括号 {} 里面的数字表示第几次申请内存操作；0x001714F8 表示泄露内存的起始地址，CD CD 表示泄露内存的内容。

为什么是第 62 次申请内存，因为在初始化操作时也申请了内存。通过这个信息，可以设置断点。调用 long _CrtSetBreakAlloc (long nAllocID) 可以再第 nAllocID 次申请内存是中断，在中断时获取的信息比在程序终止时获取的信息要多，你可以调试，查看变量状态，对函数调用调试分析，解决内存泄露。

block 分为 3 中类型，此处为 normal，表示普通，此外还有 client 表示客户端（专门用于 MFC），CRT 表示运行时（有 CRT 库来管理，一般不会泄露），free 表示已经释放掉的块，igore 表示要忽略的块。

在上面程序中，调用_CrtDumpMemoryLeaks () 来检测内存泄露，如果程序可能在多个地方终止，必须在多个地方调用这个函数，这样比较麻烦，可以在程序起始位置调用_CrtSetDbgFlag ( _CRTDBG_ALLOC_MEM_DF | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF)，这样无论程序何时终止，都会在终止前调用_CrtDumpMemoryLeaks ()。

除此之外，还可以在某时刻设置检查点，获取当时内存状态的快照。比较不同时刻内存状态的差异。

#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <crtdbg.h>
#ifdef _DEBUG // 重载 new
#define new new(_NORMAL_BLOCK, __FILE__, __LINE__)
#endif
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc,char** argv)
{
_CrtMemState s1, s2, s3;
char *str1 = NULL;
char *str2 = NULL;
str1=(char*)malloc(100);
_CrtMemCheckpoint( &s1 );// 记录内存快照
_CrtMemDumpStatistics( &s1 );// 输出
str2=new char[50];
_CrtMemCheckpoint( &s2 );
_CrtMemDumpStatistics( &s2 );
if ( _CrtMemDifference( &s3, &s1, &s2) )// 比较 s1 和 s2，把比较结果输出到 s3
_CrtMemDumpStatistics( &s3 );// dump 差异结果
return 0;
}

输出结果为：

0 bytes in 0 Free Blocks.
100 bytes in 1 Normal Blocks.
8434 bytes in 54 CRT Blocks.
0 bytes in 0 Ignore Blocks.
0 bytes in 0 Client Blocks.
Largest number used: 8963 bytes.
Total allocations: 14003 bytes.
0 bytes in 0 Free Blocks.
150 bytes in 2 Normal Blocks.
8434 bytes in 54 CRT Blocks.
0 bytes in 0 Ignore Blocks.
0 bytes in 0 Client Blocks.
Largest number used: 8963 bytes.
Total allocations: 14053 bytes.
0 bytes in 0 Free Blocks.
50 bytes in 1 Normal Blocks.
0 bytes in 0 CRT Blocks.
0 bytes in 0 Ignore Blocks.
0 bytes in 0 Client Blocks.
Largest number used: 0 bytes.
Total allocations: 50 bytes.

也可以用此法更复杂检测内存泄露，例如设置检查点，检查检查点之间的内存泄露。

在 Linux 下也有类似的方法，具体可以参考：http://en.wikipedia.org/wiki/Mtrace

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