结合内存分布图分析内存问题

1．内存问题的原因及分类

在C/C++程序中，有关内存使用的问题是最难发现和解决的。这些问题可能导致程序莫名其妙地停止、崩溃，或者不断消耗内存直至资源耗尽。由于C/C++语言本身的特质和历史原因，程序员使用内存需要注意的事项较多，而且语言本身也不提供类似Java的垃圾清理机制。编程人员使用一定的工具来查找和调试内存相关问题是十分必要的。

总的说来，与内存有关的问题可以分成两类：内存访问错误和内存使用错误。内存访问错误包括错误地读取内存和错误地写内存。错误地读取内存可能让你的模块返回意想不到的结果，从而导致后续的模块运行异常。错误地写内存可能导致系统崩溃。内存使用方面的错误主要是指申请的内存没有正确释放，从而使程序运行逐渐减慢，直至停止。这方面的错误由于表现比较慢很难被人工察觉。程序也许运行了很久才会耗净资源，发生问题。

1.1 内存解剖

一个典型的C++内存布局如下图所示：

 

自底向上，内存中依次存放着只读的程序代码和数据，全局变量和静态变量，堆中的动态申请变量和堆栈中的自动变量。自动变量就是在函数内声明的局部变量。当函数被调用时，它们被压入栈；当函数返回时，它们就要被弹出堆栈。堆栈的使用基本上由系统控制，用户一般不会直接对其进行控制，所以堆栈的使用还是相对安全的。动态内存是一柄双刃剑：它可以提供程序员更灵活的内存使用方法，而且有些算法没有动态内存会很难实现；但是动态内存往往是内存问题存在的沃土。

1.2 内存访问错误

相对用户使用的语言，动态内存的申请一般由malloc/new来完成，释放由free/delete完成。基本的原则可以总结为：一对一，不混用。也就是说一个malloc必须对应一且唯一的free；new对应一且唯一的delete; malloc不能和delete, new不能和free对应。另外在C++中要注意delete和delete[]的区别。delete用来释放单元变量，delete[]用来释放数组等集聚变量。有关这方面的详细信息可以参考[C++Adv]。

我们可以将内存访问错误大致分成以下几类：数组越界读或写、访问未初始化内存、访问已经释放的内存和重复释放内存或释放非法内存。

下面的代码集中显示了上述问题的典型例子：

1 #include <iostream> 2 using namespace std; 3 int main(){ 4 char* str1="four"; 5 char* str2=new char[4]; //not enough space 6 char* str3=str2; 7 cout<<str2<<endl; //UMR 8 strcpy(str2,str1); //ABW 9 cout<<str2<<endl; //ABR 10 delete str2; 11 str2[0]+=2; //FMR and FMW 12 delete str3; //FFM 13 }

由以上的程序，我们可以看到：在第5行分配内存时，忽略了字符串终止符"\0"所占空间导致了第8行的数组越界写（Array Bounds Write）和第9行的数组越界读（Array Bounds Read）; 在第7行，打印尚未赋值的str2将产生访问未初始化内存错误（Uninitialized Memory Read）;在第11行使用已经释放的变量将导致释放内存读和写错误(Freed Memory Read and Freed Memory Write)；最后由于str3和str2所指的是同一片内存，第12行又一次释放了已经被释放的空间 (Free Freed Memory)。

这个包含许多错误的程序可以编译连接，而且可以在很多平台上运行。但是这些错误就像定时炸弹，会在特殊配置下触发，造成不可预见的错误。这就是内存错误难以发现的一个主要原因。

1.3 内存使用错误

内存使用错误主要是指内存泄漏，也就是指申请的动态内存没有被正确地释放，或者是没有指针可以访问这些内存。这些小的被人遗忘的内存块占据了一定的地址空间。当系统压力增大时，这些越来越多的小块将最终导致系统内存耗尽。内存使用错误比内存访问错误更加难以发现。这主要有两点原因：第一，内存使用错误是"慢性病"，它的症状可能不会在少数、短时间的运行中体现；第二，内存使用错误是因为"不做为"（忘记释放内存）而不是"做错"造成的。这样由于忽略造成的错误在检查局部代码时很难发现，尤其是当系统相当复杂的时候。