C语言中最大烦恼被解决!指针和内存泄漏攻坚战

面包板社区 2020-03-28

引言

对于任何使用 C 语言的人,如果问他们 C 语言的最大烦恼是什么,其中许多人可能会回答说是指针和内存泄漏。这些的确是消耗了开发人员大多数调试时间的事项。指针和内存泄漏对某些开发人员来说似乎令人畏惧,但是一旦您了解了指针及其关联内存操作的基础,它们就是您在 C 语言中拥有的最强大工具。

本文将与您分享开发人员在开始使用指针来编程前应该知道的秘密。本文内容包括:

1. 导致内存破坏的指针操作类型
2. 在使用动态内存分配时必须考虑的检查点
3. 导致内存泄漏的场景

如果您预先知道什么地方可能出错,那么您就能够小心避免陷阱,并消除大多数与指针和内存相关的问题。

啥是内存泄漏

内存泄露在维基百科中的解释如下:

在计算机科学中,内存泄漏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。内存泄漏并非指内存在物理上的消失,而是应用程序分配某段内存后,由于设计错误,导致在释放该段内存之前就失去了对该段内存的控制,从而造成了内存的浪费。

在C++中出现内存泄露的主要原因就是程序猿在申请了内存后(malloc(), new),没有及时释放没用的内存空间,甚至消灭了指针导致该区域内存空间根本无法释放。

知道了出现内存泄露的原因就能知道如何应对内存泄露,即:不用了的内存空间记得释放,不释放留着过年哇!

内存泄漏可能会导致严重的后果:

●  程序运行后,随着时间占用了更多的内存,最后无内存可用而崩溃;
●  程序消耗了大量的内存,导致其他程序无法正常使用;
●  程序消耗了大量内存,导致消费者选用了别人的程序而不是你的;
●  经常做出内存泄露bug的程序猿被公司开出而贫困潦倒。


如何知道自己的程序存在内存泄露?

根据内存泄露的原因及其恶劣的后果,我们可以通过其主要表现来发现程序是否存在内存泄漏:程序长时间运行后内存占用率一直不断的缓慢的上升,而实际上在你的逻辑中并没有这么多的内存需求。

如何定位到泄露点呢?

根据原理,我们可以先review自己的代码,利用"查找"功能,查询new与delete,看看内存的申请与释放是不是成对释放的,这使你迅速发现一些逻辑较为简单的内存泄露情况。

如果依旧发生内存泄露,可以通过记录申请与释放的对象数目是否一致来判断。在类中追加一个静态变量 static int count;在构造函数中执行count++;在析构函数中执行count--;,通过在程序结束前将所有类析构,之后输出静态变量,看count的值是否为0,如果为0,则问题并非出现在该处,如果不为0,则是该类型对象没有完全释放。

检查类中申请的空间是否完全释放,尤其是存在继承父类的情况,看看子类中是否调用了父类的析构函数,有可能会因为子类析构时没有是否父类中申请的内存空间。

对于函数中申请的临时空间,认真检查,是否存在提前跳出函数的地方没有释放内存。

什么地方可能出错?

有几种问题场景可能会出现,从而可能在完成生成后导致问题。在处理指针时,您可以使用本文中的信息来避免许多问题。

未初始化的内存

在本例中,p 已被分配了 10 个字节。这 10 个字节可能包含垃圾数据,如图 1 所示。

char *p = malloc ( 10 );

图 1. 垃圾数据

如果在对这个 p 赋值前,某个代码段尝试访问它,则可能会获得垃圾值,您的程序可能具有不可预测的行为。p 可能具有您的程序从未曾预料到的值。

良好的习惯是始终结合使用 memset 和 malloc分配内存,或者使用 calloc。

char *p = malloc (10);
memset(p,’\0’,10);

现在,即使同一个代码段尝试在对 p 赋值前访问它,该代码段也能正确处理 Null 值(在理想情况下应具有的值),然后将具有正确的行为。

内存覆盖

由于 p 已被分配了 10 个字节,如果某个代码片段尝试向 p 写入一个 11 字节的值,则该操作将在不告诉您的情况下自动从其他某个位置“吃掉”一个字节。让我们假设指针 q 表示该内存。

图 2. 原始 q 内容

图 3. 覆盖后的 q 内容

结果,指针 q 将具有从未预料到的内容。即使您的模块编码得足够好,也可能由于某个共存模块执行某些内存操作而具有不正确的行为。下面的示例代码片段也可以说明这种场景。

char *name = (char *) malloc(11); 
// Assign some value to name
memcpy ( p,name,11); // Problem begins here

在本例中,memcpy 操作尝试将 11 个字节写到 p,而后者仅被分配了 10 个字节。

作为良好的实践,每当向指针写入值时,都要确保对可用字节数和所写入的字节数进行交叉核对。一般情况下,memcpy 函数将是用于此目的的检查点。

内存读取越界

内存读取越界 (overread) 是指所读取的字节数多于它们应有的字节数。这个问题并不太严重,在此就不再详述了。下面的代码提供了一个示例。

char *ptr = (char *)malloc(10);
char name[20] ;
memcpy ( name,ptr,20); // Problem begins here

在本例中,memcpy 操作尝试从 ptr 读取 20 个字节,但是后者仅被分配了 10 个字节。这还会导致不希望的输出。

内存泄漏

内存泄漏可能真正令人讨厌。下面的列表描述了一些导致内存泄漏的场景。

  • 重新赋值
    我将使用一个示例来说明重新赋值问题。

char *memoryArea = malloc(10);
char *newArea = malloc(10);

这向如下面的图 4 所示的内存位置赋值。

图 4. 内存位置

memoryArea 和 newArea 分别被分配了 10 个字节,它们各自的内容如图 4 所示。如果某人执行如下所示的语句(指针重新赋值)……

memoryArea = newArea;

则它肯定会在该模块开发的后续阶段给您带来麻烦。

在上面的代码语句中,开发人员将 memoryArea 指针赋值给 newArea 指针。结果,memoryArea 以前所指向的内存位置变成了孤立的,如下面的图 5 所示。它无法释放,因为没有指向该位置的引用。这会导致 10 个字节的内存泄漏。

图 5. 内存泄漏

在对指针赋值前,请确保内存位置不会变为孤立的。

  • 首先释放父块
    假设有一个指针 memoryArea,它指向一个 10 字节的内存位置。该内存位置的第三个字节又指向某个动态分配的 10 字节的内存位置,如图 6 所示。

图 6. 动态分配的内存

free(memoryArea)

如果通过调用 free 来释放了 memoryArea,则 newArea 指针也会因此而变得无效。newArea 以前所指向的内存位置无法释放,因为已经没有指向该位置的指针。换句话说,newArea 所指向的内存位置变为了孤立的,从而导致了内存泄漏。

每当释放结构化的元素,而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针时,应首先遍历子内存位置(在此例中为 newArea),并从那里开始释放,然后再遍历回父节点。

这里的正确实现应该为:

free( memoryArea->newArea);
free(memoryArea);
  • 返回值的不正确处理
    有时,某些函数会返回对动态分配的内存的引用。跟踪该内存位置并正确地处理它就成为了 calling 函数的职责。

char *func ( )
{
        return malloc(20); // make sure to memset this location to ‘\0’…
}

void callingFunc ( )
{
        func ( ); // Problem lies here
}

在上面的示例中,callingFunc() 函数中对 func() 函数的调用未处理该内存位置的返回地址。结果,func() 函数所分配的 20 个字节的块就丢失了,并导致了内存泄漏。

归还您所获得的

在开发组件时,可能存在大量的动态内存分配。您可能会忘了跟踪所有指针(指向这些内存位置),并且某些内存段没有释放,还保持分配给该程序。

始终要跟踪所有内存分配,并在任何适当的时候释放它们。事实上,可以开发某种机制来跟踪这些分配,比如在链表节点本身中保留一个计数器(但您还必须考虑该机制的额外开销)。

访问空指针

访问空指针是非常危险的,因为它可能使您的程序崩溃。始终要确保您不是 在访问空指针。


没有躲过的坑--指针(内存泄露)


C++被人骂娘最多的就是指针。


夜深人静的时候,拿出几个使用指针容易出现的坑儿。可能我的语言描述有些让人费劲,尽量用代码说话。

通过指向类的NULL指针调用类的成员函数

试图用一个null指针调用类的成员函数,导致崩溃:

#include <iostream>
using namespace std;
class A{int value;public:void dumb() const {cout << "dumb()\n";}void set(int x) {cout << "set()\n"; value=x;}int get() const {cout << "get()\n"; return value;}};
int main(){A *pA1 = new A;A *pA2 = NULL;
pA1->dumb();pA1->set(10);pA1->get();pA2->dumb();pA2->set(20);//崩溃pA2->get();
return 0;}

为什么会这样? 

通过非法指针调用函数,就相当于给函数传递了一个指向函数的非法指针! 
但是为什么pA2->dumb()会成功呢? 
因为导致崩溃的是访问了成员变量!!

使用已经释放的指针

struct X{int data;};
int foo(){struct X *pX;pX = (struct X *) malloc(sizeof (struct X));pX->data = 10;free(pX);...return pX->data;}

使用未初始化的指针

如果你这样写,编译器会提示你使用了未初始化的变量p。

void fooA()
{int *p;*p = 100;}


那么如果我释放一个初始化的指针呢?


void fooB(){int *p;free(p);}

结果是一样的!!

释放已经释放的指针
直接看看代码:

void fooA(){char *p;p = (char *)malloc(100);cout << "free(p)\n";free(p);cout << "free(p)\n";free(p);}


这样的问题也许不会立即使你的程序崩溃,那样后果更加严重!!

没有调用子类的析构函数
之前的博客讲过,父类的析构函数最好声明为虚!!

ParentClass *pObj = new ChildClass;
...delete pObj;


上述代码会造成崩溃,如果父类的析构函数不声明为虚,那么不会调用继承类的析构函数,造成内存泄露。

内存溢出

当我们拷贝字符串的时候,我们常常会用到 memcpy函数。这里特别需要注意的就是字符串结尾的null字符:

char *p = (char *)malloc(strlen(str));strcpy(p, str);


为了躲过这个坑,只需要把 strlen(str) 改为 strlen(str)+1。

记一次指针使用不当造成的内存泄露

刚写完一段代码,由于将很运行在移动设备上, 我决定先测试一下内存的使用量, 结果发现了很严重的内存泄漏, 在前前后后翻看了new 和delete并确认没有漏写的情况下, 泄露依然存在!调试后最终确认了问题是因为union的不当使用造成的, 下面开始还原现场:

typedef struct DATA_{ DATA_(int size = 10) { pVoid = new char[nSize];this->size = size; }virtual ~DATA_() {if (pVoid) {delete pVoid; } }int nSize;void *pVoid;}DATA, *LPDATA;
struct STRUCT1{ STRUCT1(int count) { pVoid = new DATA[count];this->count = count; }virtual ~STRUCT1() {if (pVoid) {delete pVoid; } }int count;union {void *pVoid; LPDATA pData; }}
int main(int argc, char* argv[]){for( int i = 0; i < 1000; i++) {void *p = new STRUCT1( 10 );delete p; }return 0;}

在上面这段代码中,STRUCT1中包含了若干个DATA结构,DATA结构又申请了默认为10byte大小的内存,并且内存在对象析构的时候会用delete回收。乍一看这个代码貌似不会泄露内存,其实不然,待我分析:

在C++中构造函数与析构函数的调用是由编译器完成的,其中构造函数的调用一般是在对象空间开辟完以后(栈对象或者堆对象都是一样的),将参数压栈,this指针(对象的起始地址)放入eax寄存器(不同的编译器做法可能不同),然后跳到构造函数去执行。而析构函数的调用则是当对象内存被回收的时候被调用(栈对象是当代码执行到变量可见域外之前调用, 堆对象是在delete语句的位置进行调用)。

然而编译器并是那么智能的可以理解coder的意图,析构函数的调用是根据当前delete的指针类型来确定的,而(下面)这段代码却没有提供类型, 这导致了DATA_的析构函数将不会被调用,内存泄漏就在所难免了。

virtual ~STRUCT1() {if (pVoid) {delete pVoid;//问题在这, 应该使用delete pData; } }

总结

本文讨论了几种在使用动态内存分配时应该避免的陷阱。要避免内存相关的问题,良好的习惯是:

1.  始终结合使用 memset 和 malloc分配内存,或始终使用 calloc。
2.  每当向指针写入值时,都要确保对可用字节数和所写入的字节数进行交叉核对。
3.  在对指针赋值前,要确保没有内存位置会变为孤立的。
4.  每当释放结构化的元素(而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针)时,都
应首先遍历子内存位置并从那里开始释放,然后再遍历回父节点。

5. 始终正确处理返回动态分配的内存引用的函数返回值。
6. 每个 malloc 都要有一个对应的 free。
7. 确保您不是在访问空指针。

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