内存泄漏是在不带有垃圾回收（garbage Collection）机制的语言中，如c/c++，经常出现的问题。由于缺乏垃圾回收，程序员需要自行管理分配的内存并进行释放。内存泄漏的根本原因在于程序未能释放申请的内存。
{ void *p1 = malloc(10); void *p2 = malloc(20); free(p1); }
上述代码片段中，申请了两块内存p1和p2，但只释放了p1，而未释放p2，导致了内存泄漏。
内存泄漏可能会导致以下后果：
随着程序运行时间的增长，未释放的内存会逐渐累积，导致进程堆中的可用内存越来越少，最终耗尽。这将导致后续的运行时代码无法成功分配所需的内存空间。
内存泄漏如何解决？
方案一 引入gc，从语言层面解决内存泄漏；
方案二 当发生内存泄漏的时候，能够精准的定位代码那个文件、那个函数、哪一行所引起的。
我们实现的是方案二，核心需求有两个。
需求1：能够检测出内存泄漏
需求2：能够指出是由代码的哪个文件、哪个函数、哪一行引起的内存泄漏
内存泄漏检测如何实现？
内存泄漏检测实现的核心思想就是对系统的malloc/free进行hook，用我们自己的malloc/free代替系统调用，将free的地址和malloc的地址进行匹配，查看最后又哪些malloc没有进行free，并将没有free的malloc操作的代码段地址进行记录，通过代码段定位所在的文件、函数、代码行。
方案一
采用__libc_malloc, libc_free与__builtin_return_address。它们是gcc提供的函数。
__libc_malloc, libc_free用来代替malloc/free。可以用来实现hook。需要注意的是，我们实现的malloc/free函数，内部会有一些函数如printf，fopen，需要防止它们会嵌套调用malloc/free。
__builtin_return_address，能够返回调用所在函数的代码段的地址。能够定位内存泄漏的具体位置。
malloc的时候，创建一个文件，文件名使用申请内存的地址，并记录申请该内存的代码段的地址；free的时候，删除对应的文件。
#include #include #include int enable_malloc_hook = 1; extern void *__libc_malloc(size_t size); int enable_free_hook = 1; extern void *__libc_free(void *p); void *malloc(size_t size) { if (enable_malloc_hook) { enable_malloc_hook = 0; void *p = __libc_malloc(size); void *caller = __builtin_return_address(0); char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p); FILE *fp = fopen(buff, "w"); fprintf(fp, "[+%p]malloc --> addr:%p size:%lu ", caller, p, size); fflush(fp); enable_malloc_hook = 1; return p; } else { return __libc_malloc(size); } return NULL; } void free(void *p) { if (enable_free_hook) { enable_free_hook = 0; char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p); if (unlink(buff) printf("double free: %p ", p); } __libc_free(p); enable_free_hook = 1; } else { __libc_free(p); } } // gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g // addr2line -f -e memleak_0 -a 0x4006d8 int main() { void *p1 = malloc(10); void *p2 = malloc(20); free(p1); void *p3 = malloc(30); void *p4 = malloc(40); free(p2); free(p4); return 0; }
方案二
使用宏定义, 开启宏定义使用我们的版本，不开启就使用系统的。可以方便debug。
内存泄漏检测使用malloc_hook/free_hook, 定位内存泄漏位置，使用__FILE__, LINE.
#define malloc(size) malloc_hook(size, __FILE__, __LINE__) #define free(p) free_hook(p, __FILE__, __LINE__)
#include #include #include void *malloc_hook(size_t size, const char *file, int line) { void *p = malloc(size); char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p); FILE *fp = fopen(buff, "w"); fprintf(fp, "[+%s:%d]malloc --> addr:%p size:%lu ", file, line, p, size); fflush(fp); fclose(fp); return p; } void free_hook(void *p, const char *file, int line) { char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p); if (unlink(buff) printf("double free: %p ", p); return; } free(p); } #define malloc(size) malloc_hook(size, __FILE__, __LINE__) #define free(p) free_hook(p, __FILE__, __LINE__) // gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g // addr2line -f -e memleak_0 -a 0x4006d8 int main() { void *p1 = malloc(10); void *p2 = malloc(20); free(p1); void *p3 = malloc(30); // memory leak void *p4 = malloc(40); free(p2); free(p4); free(p4); // double free return 0; }
检测出两个问题，一次内存泄漏 p3，一次double free p4。结果OK。
方案三
使用malloc.h中提供的hook: __malloc_hook, __free_hook.
这两个hook，默认是malloc，free。
参考mtrace的做法，通过改变这两个值来进行检测。
#include #include #include #include typedef void *(*malloc_hoot_t)(size_t size, const void *caller); malloc_hoot_t malloc_f; typedef void (*free_hook_t)(void *p, const void *caller); free_hook_t free_f; void mem_trace(void); void mem_untrace(void); void *malloc_hook_f(size_t size, const void *caller) { mem_untrace(); void *ptr = malloc(size); // printf("+%p: addr[%p] ", caller, ptr); char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", ptr); FILE *fp = fopen(buff, "w"); fprintf(fp, "[+%p]malloc --> addr:%p size:%lu ", caller, ptr, size); fflush(fp); fclose(fp); mem_trace(); return ptr; } void free_hook_f(void *p, const void *caller) { mem_untrace(); // printf("-%p: addr[%p] ", caller, p); char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p); if (unlink(buff) printf("double free: %p ", p); } free(p); mem_trace(); } void mem_trace(void) { malloc_f = __malloc_hook; free_f = __free_hook; __malloc_hook = malloc_hook_f; __free_hook = free_hook_f; } void mem_untrace(void) { __malloc_hook = malloc_f; __free_hook = free_f; } // gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g // addr2line -f -e memleak_0 -a 0x4006d8 int main() { mem_trace(); void *p1 = malloc(10); void *p2 = malloc(20); free(p1); void *p3 = malloc(30); void *p4 = malloc(40); free(p2); free(p4); mem_untrace(); return 0; }
方案四
使用mtrace
#include #include #include #include #include // gcc -o memleak_0 memleak_0.c -g // addr2line -f -e memleak_0 -a 0x4006d8 int main() { // export MALLOC_TRACE=./test.log mtrace(); void *p1 = malloc(10); void *p2 = malloc(20); free(p1); void *p3 = malloc(30); void *p4 = malloc(40); free(p2); free(p4); muntrace(); #endif return 0; }
方案五
使用dlsym对malloc，free进行hook。
#define _GNU_SOURCE #include #include #include #include typedef void *(*malloc_t)(size_t size); malloc_t malloc_f; typedef void (*free_t)(void *p); free_t free_f; int enable_malloc_hook = 1; int enable_free_hook = 1; void *malloc(size_t size) { if (enable_malloc_hook) { enable_malloc_hook = 0; void *p = malloc_f(size); void *caller = __builtin_return_address(0); char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p); FILE *fp = fopen(buff, "w"); fprintf(fp, "[+%p]malloc --> addr:%p size:%lu ", caller, p, size); fflush(fp); enable_malloc_hook = 1; return p; } else { return malloc_f(size); } return NULL; } void free(void *p) { if (enable_free_hook) { enable_free_hook = 0; char buff[128] = {0}; sprintf(buff, "./mem/%p.mem", p); if (unlink(buff) printf("double free: %p ", p); } free_f(p); enable_free_hook = 1; } else { free_f(p); } } static int init_hook() { malloc_f = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); free_f = dlsym(RTLD_NEXT, "free"); } // gcc -o memleak_0 memleak_0.c -ldl -g // addr2line -f -e memleak_0 -a 0x4006d8 int main() { init_hook(); void *p1 = malloc(10); void *p2 = malloc(20); free(p1); void *p3 = malloc(30); void *p4 = malloc(40); free(p2); free(p4); return 0; }
共享内存
mmap方法1
匿名mmap
#include #include #include void *shm_mmap_alloc(int size) { void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_ANON | MAP_SHARED, -1, 0); if (addr == MAP_FAILED) { return NULL; } return addr; } int shm_mmap_free(void *addr, int size) { return munmap(addr, size); } int main() { char *addr = (char *)shm_mmap_alloc(1024); pid_t pid = fork(); if (pid == 0) { // child int i = 0; while(i 'a' + i++; addr[i] = ' '; sleep(1); } } else if (pid > 0) { int i = 0; while (i++ printf("parent: %s ", addr); sleep(1); } } shm_mmap_free(addr, 1024); }
mmap方法2
/dev/zero
#include #include #include #include #include #include void *shm_mmap_alloc(int size) { int fd = open("/dev/zero", O_RDWR); void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); close(fd); if (addr == MAP_FAILED) { return NULL; } return addr; } int shm_mmap_free(void *addr, int size) { return munmap(addr, size); } int main() { char *addr = (char *)shm_mmap_alloc(1024); pid_t pid = fork(); if (pid == 0) { // child int i = 0; while(i 'a' + i++; addr[i] = ' '; sleep(1); } } else if (pid > 0) { int i = 0; while (i++ printf("parent: %s ", addr); sleep(1); } } shm_mmap_free(addr, 1024); }
shmget方法
#include #include #include #include #include #include #include #include void *shm_alloc(int size) { int segment_id = shmget(IPC_PRIVATE, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | S_IRUSR | S_IWUSR); char *addr = (char *)shmat(segment_id, NULL, 0); return addr; } int shm_free(void *addr) { return shmdt(addr); } int main() { char *addr = (char *)shm_alloc(1024); pid_t pid = fork(); if (pid == 0) { // child int i = 0; while(i 'a' + i++; addr[i] = ' '; sleep(1); } } else if (pid > 0) { int i = 0; while (i++ printf("parent: %s ", addr); sleep(1); } } shm_free(addr); }
