Windows下C/C++内存泄露检测机制

1、概述

在Windows下微软给我们提供了一个十分强大的C/C++运行时库，这个运行时库中包含了很多有用的功能。而众多强大功能之一就是内存泄露的检测。

C/C++提供了强大的内存管理功能，不过随之而来的却是内存管理的复杂问题。内存泄露、踩内存等问题随之大量产生。要完全杜绝这些问题是比较困难，不过一个高效有用的工具却可以将内存泄露的问题第一时间发现并处理掉。

VS的C/C++运行时库中内存管理系统的基础就是调试堆，调试堆和普通的堆不同之处就在于每一块分配的内存前后都有一些额外的信息。下面就是每块分配内存的额外信息：

typedef struct _CrtMemBlockHeader
{
        struct _CrtMemBlockHeader * pBlockHeaderNext;
        struct _CrtMemBlockHeader * pBlockHeaderPrev;
        char *                    szFileName;
        int                        nLine;
#ifdef _WIN64
        /* These items are reversed on Win64 to eliminate gaps in the struct
         * and ensure that sizeof(struct)%16 == 0, so 16-byte alignment is
         * maintained in the debug heap.
         */
        int                        nBlockUse;
        size_t                    nDataSize;
#else  /* _WIN64 */
        size_t                    nDataSize;
        int                        nBlockUse;
#endif  /* _WIN64 */
        long                    lRequest;
        unsigned char                gap[nNoMansLandSize];
        /* followed by:
         *  unsigned char           data[nDataSize];
         *  unsigned char           anotherGap[nNoMansLandSize];
         */
　　} _CrtMemBlockHeader;

从上面的定义我们看到每一块分配的内存（假设的data变量）前后都有一个NoMansLoad的gap。这个gap会填充一些数据，检测是否内存操作超出了合法的范围。szFileName和nLine则表示该内存是从什么文件的哪一行分配的。nDataSize表示该块内存的实际大小，nBlockUse表示当前分配的内存的类型号是什么，类型号稍后会有详细解释。lRequest表示当前分配的序号，这个序号是进程唯一的，第一次分配的为1，第二次为2，以此类推。

C/C++无论使用new、malloc、strdup等最后都会到一个CRT的内部函数：_heap_alloc_dbg_impl。这个函数的作用就是填充上面看到的内存块的头和尾，然后做一些HOOK函数以及检查调试堆的工作。

有了上面关于调试堆管理内存的基本了解以后，我们通过MSDN（ms-help://MS.MSDNQTR.v90.chs/dv_vccrt/html/cb4d2664-10f3-42f7-a516-595558075471.htm）可以看到一些CRT内存状态查看、管理的函数。

其中几个对内存泄露检测有用的函数是：

_CrtDumpMemoryLeaks：将目前尚未释放的内存信息打印出来；

_CrtMemCheckpoint：建立一个当前堆上内存使用的快照；

_CrtMemDifference：比较两个快照之间的内存块变化；

_CrtSetBreakAlloc：指定在第几次内存分配的时候中断；

_CrtSetDbgFlag：设置一些调试的标志。

2、 基本使用方法

下面我们通过几个实例来简单介绍内存泄露的使用方法：

1. 简单使用_CrtDumpMemoryLeaks：

#include "crtdbg.h"
int main()
{
    int *leakptr = (int *)malloc( * sizeof(int));
    memset(leakptr, 0x5f,  * sizeof(int));
    _CrtDumpMemoryLeaks();
    return ;
}

输出结果：

Detected memory leaks!

Dumping objects ->

{54} normal block at 0x00393190,  bytes long.

Data: <________________> 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F

Object dump complete.

其中，绿色部分表示分配的内存序号，也就是该内存为第几块内存。红色部分为内存块的有效长度，蓝色部分为该内存的前16个字节。橙色部分为该内存的地址。

有了这些我们已经能基本定位非常简单的内存泄露了。不过稍复杂一点的程序都有很多出口，在每个出口都放一个_CrtDumpMemoryLeaks是不合适的。同时很多全局变量也是在main之后析构的。所以实际中我们更加愿意使用下面的方法。

2. 增加_CRTDBG_LEAK_CHECK_DF标志

typedef std::list<int> intlist;
class A
{
    intlist* m_var;
public:
    A(){ m_var = new intlist; }
    ~A(){ delete m_var; }
};
A g_a;
int main()
{
    _CrtSetDbgFlag(_CrtSetDbgFlag(_CRTDBG_REPORT_FLAG) | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF);
    int *leakptr = (int *)malloc( * sizeof(int));
    memset(leakptr, 0x5f,  * sizeof(int));
    //_CrtDumpMemoryLeaks();
    return ;
}

输出结果为：

Detected memory leaks!

Dumping objects ->

{54} normal block at 0x00393190, 400 bytes long.

Data: <________________> 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F

Object dump complete.

如果不使用_CrtSetDbgFlag而使用_CrtDumpMemoryLeaks输出结果为：

Detected memory leaks!

Dumping objects ->

{122} normal block at 0x00396248, 400 bytes long.

Data: <________________> 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F

{121} normal block at 0x00396200, 12 bytes long.

Data: < b9  b9     > 00 62 39 00 00 62 39 00 CD CD CD CD

{120} normal block at 0x003961A8, 24 bytes long.

Data: <                > 00 00 00 00 CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD

Object dump complete.

也就是说_CrtDumpMemoryLeaks仅能保证获取当前尚未释放的内存。而通过设置_CRTDBG_LEAK_CHECK_DF标志对于内存泄露检测更加有意义！

遗憾的是MFC使用的前一种，所以MFC默认检测的内存泄露意义不大。

3. 获取内存泄露的位置

#define  _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include "crtdbg.h"
int main()
{
    _CrtSetDbgFlag(_CrtSetDbgFlag(_CRTDBG_REPORT_FLAG) | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF);
    int *leakptr = (int *)malloc(  * sizeof(int) );
    memset(leakptr, 0x5f,  * sizeof(int));
    return ;
}

输出：

Detected memory leaks!

Dumping objects ->

e:\vsprj\win32_test\mfc_console\mfc_console.cpp() : {122} normal block at 0x00396248, 400 bytes long.

Data: <________________> 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F

Object dump complete.

我们看到红色的文件名和绿色的行号都出现了。对于这个我们只需要非常简单地增加两行语句：

#define  _CRTDBG_MAP_ALLOC

#include "crtdbg.h"

4. C++中new如何享受到这种便利

C++中的new可以支持替换，这给我们提供了一个非常方便的解决方案。而CRT也提供了Debug版本的new，原型如下：

void *__CRTDECL operator new[](

size_t cb,

int nBlockUse,

const char * szFileName,

int nLine

)

void *__CRTDECL operator new(

size_t cb,

int nBlockUse,

const char * szFileName,

int nLine

)

所以我们的思路就是将原来的new替换为debug版本的new。

#define  _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include "crtdbg.h"
#include <string.h>
#ifdef _DEBUG
#define DEBUG_CLIENTBLOCK   new( _CLIENT_BLOCK, __FILE__, __LINE__)
#define new DEBUG_CLIENTBLOCK
#else
#define DEBUG_CLIENTBLOCK
#endif
int main()
{
    _CrtSetDbgFlag(_CrtSetDbgFlag(_CRTDBG_REPORT_FLAG) | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF);
    int *leakptr = new int[];
    memset(leakptr, 0x5f,  * sizeof(int));
    return ;
}

输出：

Detected memory leaks!

Dumping objects ->

e:\vsprj\win32_test\mfc_console\mfc_console.cpp(21) : {54} client block at 0x00393190, subtype 0, 400 bytes long.

Data: <________________> 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F

Object dump complete.

5. 块类型的使用

块类型是CRT的一个重要功能，通过它我们可以让内存分配检查的粒度更加细化。所谓的快内存就是每次分配的时候指定的块号。块类型目前总共五种：

_NORMAL_BLOCK：就是我们日常分配的默认类型；

_CRT_BLOCK：CRT自己使用的内存；

_CLIENT_BLOCK：就是给我们自己用的客户类型，可以指定子类型号，也是我们需要重点关注的类型；

_FREE_BLOCK：已经释放的块，因为CRT可以让链表上保留已经释放的块来模拟内存不足的情况，所以这类内存一般被填充0xDD，块类型标为_FREE_BLOCK。

_IGNORE_BLOCK：有可能在一段时间内关闭调试堆操作。在该时间段内，内存块保留在列表上，但被标记为“忽略”块。

那么_CLIENT_BLOCK是如何使用的呢？还记得调试堆中的nBlockUse吧，这是一个32位的数据，其中低16位表示块的大类型，而高16位则表示子类型。所以每次我们申请内存的时候给出的块类型都包含了大类型和子类型，分别设置他们的高16位和低16位即可。

例如：

#define IGS_SUBTYPE 0x50

#define IGS_BLOCK _CLIENT_BLOCK | ( IGS_SUBTYPE << 16 )

从定义看出IGS_BLOCK表示一个subtype为50的客户端数据块。

下面我们用代码简单说明如何使用客户端数据块。

#define  _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include "crtdbg.h"
#include <string.h>
#ifdef _DEBUG
#define IGS_SUBTYPE    0x50
#define IGS_BLOCK        _CLIENT_BLOCK | ( IGS_SUBTYPE << 16 )
#define IGS_DBGNEW    new( IGS_BLOCK, __FILE__, __LINE__)
#define new IGS_DBGNEW
#else
#define DEBUG_CLIENTBLOCK
#endif
int main()
{
    _CrtSetDbgFlag(_CrtSetDbgFlag(_CRTDBG_REPORT_FLAG) | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF);
    int *leakptr = new int[];
    memset(leakptr, 0x5f,  * sizeof(int));
    return ;
}

输出：

Detected memory leaks!

Dumping objects ->

e:\vsprj\win32_test\mfc_console\mfc_console.cpp(23) : {54} client block at 0x00393190, subtype 50, 400 bytes long.

Data: <________________> 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F 5F

Object dump complete.