Linux下内存泄露工具

概述

内存泄露(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，这时就出现了内存泄露。尽管优秀的编程实践可以确保最少的泄露，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露。

内存泄露可以分为以下几类：
　　1．常发性内存泄漏。发生内存泄露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露。

2. 偶发性内存泄露。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露至关重要。

3.一次性内存泄露。发生内存泄露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露。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，所以内存泄露只会发生一次。

4.隐式内存泄露。程序在运行过程中不停地分配内存，但是知道结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄露，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耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄露为隐式内存泄漏。

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)、内存泄露(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，从而跟踪内存情趣，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，所有模拟起来很困难，因此只支持Linux。采用此方法的是valgrind。