C/C++内存泄漏原因分析与应对方法

内存泄漏

一、内存泄漏的危害：

内存泄漏会导致当前应用程序消耗更多的内存，使得其他应用程序可用的内存更少了。

如果有个进程可用的内存不够，就会触发Linux操作系统的直接/后台内存回收（即将一些内存页的数据写到磁盘里，那么该页也就可用了，脏页回写）。虽然后台回收是异步的不阻塞当前进程，但是内存还是不够会触发直接内存回收，最后内存泄漏积累到一定程度，会直接触发OOM，该机制会杀掉那些实时占用内存大的进程。

而且，即使没有OOM，无论是直接回收还是后台回收，都需要磁盘I/O而且需要多执行额外的回收线程，使系统性能下降。

• 后台内存回收（kswapd）：在物理内存紧张的时候，会唤醒 kswapd 内核线程来回收内存，这个回收内存的过程异步的，不会阻塞进程的执行。
• 直接内存回收（direct reclaim）：如果后台异步回收跟不上进程内存申请的速度，就会开始直接回收，这个回收内存的过程是同步的，会阻塞进程的执行，这个过程比较慢，导致CPU占用率飙升。

如果直接内存回收后，空闲的物理内存仍然无法满足此次物理内存的申请，那么内核就会放最后的大招了 ——触发 OOM （Out of Memory）机制。

还有资源泄漏：

比如没有关闭文件，程序提前return或报错或忘记关闭，则可能导致想写入文件的数据没有真正落盘，从而丢失数据。

二、内存泄漏举例：

1，在free()前就返回了，或者是报错并退出程序。要在程序的所有路径上（if()的各个条件）都执行资源释放操作。

2，在析构函数中未执行内存释放操作。在构造函数中申请了堆内存或者打开了文件，在析构函数中忘了释放资源。

3，基类的析构函数未声明为虚函数。

析构函数如果不声明为虚函数，可能会导致多态对象在删除时无法正确调用派生类的析构函数（如果子类构造函数里malloc()了内存，然后在析构函数里free()），从而导致内存泄漏。

4，shared_ptr循环引用导致内存泄漏，用weak_ptr解决。如下示例：

class Contro {
private:
	double* p;
 public:
  Contro() {
  	 p = new double[10];
  }

  ~Contro() {
  	 delete[] p;
     std::cout << "in ~Contro" << std::endl;
  }
// 类内类
  class SubContro {
   public:
    SubContro() {
  	  p = new double[10];
  }

    ~SubContro() {
      delete[] p;
      std::cout << "in ~SubContro" << std::endl;
    }

    std::shared_ptr<Contro> controller_;
  };

  std::shared_ptr<SubContro> sub_controller_;
};

int main() {
  auto contro = std::make_shared<Contro>();
  auto sub_contro = std::make_shared<Contro::SubContro>();

  contro->sub_controller_ = sub_contro;
  sub_contro->controller_ = contro;
  // 打印引用计数
  std::cout << "contro use_count: " << contro.use_count() << std::endl;
  std::cout << "sub_contro use_count: " << sub_contro.use_count() << std::endl;
  return 0;
}

发生循环引用，两个的引用计数输出都是2，所以main函数结束的时候，引用计数没有减为0，就不会调用二者的析构函数，导致资源泄漏。
将SubContro类里的shared_ptr改成weak_ptr即可，后者不会增加引用计数，因此两个智能指针的引用计数都是1，然后main结束的时候，引用计数减少为0，然后执行析构函数，此时不会发生内存泄漏，输出如下：

contro use_count: 1
sub_contro use_count: 2
in ~Contro
in ~SubContro

三、避免内存泄漏的手段：

1. 静态代码检查工具

（1）对于大型项目，可以使用啄木鸟这种静态代码分析工具

静态代码检查工具会从词法、语法、语义等多维度去对工程代码扫描分析，发现可能存在的问题，比如变量未定义、类型不匹配、变量作用域问题、数组下标越界、内存泄露等问题。

既然是静态，那么就不是运行时。但是是编译前还是编译后还是编译中？

其实都有，啄木鸟是给源文件就行，然后它会在编译的过程中去检测语法，词法，以及最后生成的二进制。

代码静态分析（SAST）：可以简单的理解为在不执行程序的情况下，对源代码， 中间代码或者二进制代码进行分析的技术

（2）编译成专门的内存泄漏检查版本。

可以把整个项目编译成检查内存泄漏版本的可执行文件，然后运行相关工具，并且让运行结果专门记录内存泄漏，将泄漏结果放在对应输出文件上。

比如opengauss就有，参考链接：http://t.csdn.cn/DqusO

编译openGauss时，编译一个memcheck版的，然后通过跑fastcheck_single来发现代码中的内存问题。 编译方式和编译普通的openGauss基本一致，只是在configure时，添加一个 --enable-memory-check 参数，编译出来的就是memcheck版本的openGauss。

但是编译前，要设置一些环境变量，ulimit -v unlimited

ulimit命令：用于控制shell程序的资源， -v <虚拟内存大小> 　指定可使用的虚拟内存上限，单位为KB。

因为可能有内存泄漏，所以就设置虚拟内存大小为不受限制。

2. valgrind工具

可以安装valgrind工具，指定工具--tool=memcheck，也可以指定输出日志，否则输出在终端

--log-file=leak1.log

执行命令如下：

valgrind  --tool=memcheck ./a.out

如下可以看到总的malloc和free的次数，以及被申请的字节数，在每一个内存泄漏的地方，也会显示函数调用堆栈，便于追踪：

这个工具的用法还挺多，可以参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/92074597

3. GDB调试

比如我们怀疑FUNC()函数有内存泄漏。

1，比如给某个函数FUNC()打断点，进入后这个函数里面也调用了很多其他函数func1，func2…，怀疑这些调用里面，或者外面有内存泄漏。我们可以给malloc()和free()打断点（或者是自己封装的函数），当malloc()命中后，bt查看栈帧，就知道哪个函数调用了malloc，申请了堆内存，比如func1，这样可以重点关注该函数。

2，然后看后面free()断点有没有命中，命中的时候查看栈帧，如果不是这个函数func1调用的free()，那说明这个函数没有执行free。

3，此外，可以追踪指针p的值（watch p），看看它有没有变为0x0，被释放且被赋值为0x0，才不会成为悬空指针。

4，在函数FUNC()的末尾，还可以看看malloc和free的断点命中次数，如果次数一样，那没问题。