【Tools】Linux下C和C++程序中内存泄露检测

00. 目录

01. 前言

C/C++运行高效，不管是操作系统内核还是对性有要求的程序（比如游戏引擎）都要求使用C/C++来编写，其实C/C++强大的一点在于能够使用指针*地控制内存的使用，适时的申请内存和释放内存，从而做到其他编程语言做不到的高效地运行。但是内存管理是一把双刃剑，用好了削铁如泥，用不好自断一臂。在申请堆上内存使用完之后中如果做不到适时有效的释放，那么就会造成内存泄露，久而久之程序就会将系统内存耗尽，导致系统运行出问题。就如同你每天跑去图书馆借一打书籍而不还，直到图书馆倒闭为止。

C语言中申请内存和释放内存的方法是使用 malloc和free。

C++中能兼容C，所以也能使用malloc和free，面向对象的情况下使用的则是new和delete，能够自动执行构造函数和析构函数。

在Linux平台，我们可以使用valgrind命令检测C/C++程序是否内存泄露。

02. valgrind安装

debian/ubuntu下安装方法：

[e-mail]:~$ sudo apt install valgrind

redhat/centos下安装方法：

[e-mail]:~$ sudo yum install valgrind

安装好valgrind工具之后，下面来看看valgrind的几个应用场景。

03. 使用未初始化的内存

程序中我们定义了一个指针p，但并未给他分配空间，但我们却使用它了。

程序示例:

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
#include <stdlib.h> 

int main(void)
{
    char ch; 
    char *p; 

    ch = *p; 

    printf("ch = %c\n", ch);

    return 0;
}

valgrind检测出到我们的程序使用了未初始化的变量。

04. 使用野指针

p所指向的内存被释放了，p变成了野指针，但是我们却继续使用这片内存。

程序示例:

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
#include <stdlib.h> 

int main(void)
{
    int *p = NULL;

    p = malloc(sizeof(int));
    if (NULL == p)
    {   
        printf("malloc failed...\n"); 
        return 1;
    }   
    memset(p, 0, sizeof(int));

    *p = 88; 

    printf("*p = %d\n", *p);

    //释放内存
    free(p);

    printf("*p = %d\n", *p);

    return 0;
}

valgrind检测到我们使用了已经free的内存，并给出这片内存是哪里分配和哪里释放的。

05. 动态内存越界访问

我们动态地分配了一片连续的存储空间，但我们在访问个数组时发生了越界访问。

程序示例:

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
#include <stdlib.h> 

int main(void)
{
    int i = 0;
    int *p = NULL;

    p = malloc(5 * sizeof(int));
    if (NULL == p)
    {   
        printf("malloc failed...\n"); 
        return 1;
    }   
    memset(p, 0, 10 * sizeof(int));

    for (int i = 0; i <= 5; i++) 
    {   
        p[i] = i + 1;  
    }   

    for (int i = 0; i <= 5; i++) 
    {   
        printf("p[%d]: %d\n", i, p[i]);
    }   

    return 0;
}

valgrind检测出越界信息如下。

注意：

valgrind不检查非动态分配数组的使用情况。

06. 分配空间后没有释放

内存泄漏的原因在于我们使用free或者new分配空间之后，没有使用free或者delete释放内存。

程序示例:

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
#include <stdlib.h> 

int main(void)
{
    int *p = NULL;

    p = malloc(sizeof(int));
        
    *p = 88; 

    printf("*p = %d\n", *p);

    return 0;
}

valgrind的记录显示上面的程序用了1次malloc，却调用了0次free。

可以使用–leak-check=full进一步获取内存泄漏的信息，比如malloc具体行号。

07. 不匹配使用delete或者free

一般我们使用malloc分配的空间，必须使用free释放内存。使用new分配的空间，使用delete释放内存。

程序示例:

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
#include <stdlib.h> 

int main(void)
{
    int *p = NULL;

    p = (int *)malloc(sizeof(int));
    
    *p = 88; 

    printf("*p = %d\n", *p);

    delete p;

    return 0;
}

不匹配地使用malloc/new/new[] 和 free/delete/delete[]则会被提示mismacth

08. 两次释放同一块内存

一般情况下，内存分配一次，只释放一次。如果多次释放，可能会出现double free。

程序示例:

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
#include <stdlib.h> 

int main(void)
{
    int *p = NULL;

    p = (int *)malloc(sizeof(int));
    
    *p = 88; 

    printf("*p = %d\n", *p);

    free p;
	free p;
    
    return 0;
}

多次释放同一内存，出现非法释放内存。

09. 总结

内存泄露问题非常难定位，对于小工程项目来说，简单去检查代码中new和delete的匹配对数就基本能定位到问题，但是一旦代码量上升到以万单位时，仅靠肉眼检查来定位问题那就非常困难了，所以我们需要利用工具帮助我们找出问题所在。在Linux系统下内存检测工具首推Valgrind，一款非常好用的开源内存管理工具。Valgrind其实是一个工具集，内存错误检测只是它众多功能的一个，但我们用得最多的功能正是它——memcheck。

总之，valgrind工具可以检测下列与内存相关的问题 :

• 未释放内存的使用
• 对释放后内存的读/写
• 对已分配内存块尾部的读/写
• 内存泄露
• 不匹配的使用malloc/new/new[] 和 free/delete/delete[]
• 重复释放内存

10. 附录