linux中内存泄漏的检测（四）记录泄漏的大小
《linux中内存泄漏的检测（三）定制化的new/delete》讲到，利用C++的函数重载的特性，使C++的代码，也能方便地为new/delete加上用于检测内存泄漏的统计代码。然而，也因此引入的新的问题。
目前的统计方式仅仅统计申请/释放内存的次数，并没有统计每次申请/释放内存的大小。 这种方法对于C来说是够用了，因为在C中申请和释放的大小是相同的，而在C++中就不一定了。 考虑以下两种情况：
（1）申请了子类的空间却只释放了父类的空间
father *pF = new son;
delete pF;
构造子类的时候申请的是子类所需大小的空间，然后先初始化父类的成员，再初始化子类的成员。
析构的时候，由于是父类的指针，只调用父类的析构函数并释放父类所占的空间。 不是说多态吗？既然pF指针子类，为什么不调用子类的析构函数？ 因为多态的前提是虚函数。
正常情况下类的析构函数都应该写成虚函数，如果忘了，就有可能造成内存泄漏。
（2）申请了一个数组的空间却只释放第一项元素的空间
class A *pA = new class[5];
delete pA;
也不是所有这样的情况都会导致内存泄漏，如果class是一个内置类型，像int, char这种，就没有问题。对于内置类型，只能说没有内存泄漏方面，但有可能会有其它未知的潜在问题，所以仍不建议这么写。 在C++中，class就不限于内置类型了，如果是自己定义的类，delete pA只是释放pA所指向的数组的第一项，这样就产生了内存泄漏。
由于以上原因，仅仅统计申请/释放的次数，还不能准确地检测内存泄漏的情况，因此，在申请/释放的同时，还要记录大小。
大家在写代码的时候，有没有产生过这样的疑问，为什么申请内存时要传入所需要申请的内存大小，而释放时不需要说明释放多大的内存？
那是因为在申请时，把所申请的大小记在了某个地方，释放时从对应的对方查出大小。那么记在什么地方呢？
一般有两种方式：
1 非入侵式，内存分配器自行先申请内存（和栈配合使用），用作记录用户层的申请记录（地址，大小）。 用户释放空间时会查找该表，除了知道释放空间大小外还能判断该指针是合法。
2 入侵式，例如用户要申请1byte的内存，而内存分配器会分配5byte的空间（32位），前面4byte用于申请的大小。释放内存时会先向前偏移4个byte找到申请大小，再进行释放。
两种方法各有优缺点，第一种安全，但慢。第二种快但对程序员的指针控制能力要求更高，稍有不慎越界了会对空间信息做成破坏。
我们linux上的gcc/g++编译器默认使用入侵式，为了验证我们找到的地址是否存储了我们想要的数据，我写了这样的测试代码：
#include <iostream>
using namespace std;
#if(defined(_X86_) && !defined(__x86_64))
#define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE 4
#elif defined(__ia64__) || defined(__x86_64)
#define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE 8
#endif
int main(void)
{
void * p = NULL;
int a = 5, n = 1;
while (a--)
{
p = new char[n];
size_t w = *((size_t*)((char*)p - _ALLOCA_S_MARKER_SIZE));
cout<<"w = "<< w <<" n = "<<n<<endl;
n = n * 10;
}
return 0;
}
这是运行结果：
w = 33 n = 1
w = 33 n = 10
w = 113 n = 100
w = 1009 n = 1000
w = 10017 n = 10000
当我们读取申请到的内存的前面几个字节时，查到的数据与真实申请的数据好像有关系，但是又总是略大一点。这是不是我们要找的数据呢？它和真实申请的大小有什么关系呢？这要从gcc的内存分配策略说起。
假设现在要申请空间大小为n，实际分配的大小为m，我们读取到的值为k
（1）当调用malloc申请n个大小的空间，编译器还会多分配_ALLOCA_S_MARKER_SIZE个字节用于存储这片空间的管理信息。在我所测试的centos 64上这个管理信息一共8个字节，上文提到的申请空间的大小的信息就在其中。那么m=n+_ALLOCA_S_MARKER_SIZE
（2）为了减少内存碎片，实现申请的大小为一个数的整数倍，在我所测试的centos 64上测得这个数为16，即实际申请的大小为16的倍数。那么m=(n+8-1)&0xFFFFFFF0 + 0x10
（3）为了避免申请过小的内存，有这样一个限定，最小的实际分配空间大小为0x20 m = (n+8-1)&0xFFFFFFF0 + 0x10 if m < 0x20 m = 0x20
（4）因为m一定为16的倍数，所以在二进制中m的最后四位始终为0，并不起作用。因此这4位用于做标准位。于是有k = m + 1
总结m = (n+7)&0xFFFFFFF0 + 0x11 ， k = m + 1
为了证明这个结论是正确的，我写了这样的代码：
#include <iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>
#include<ctime>
#include <stdlib.h>
#if(defined(_X86_) && !defined(__x86_64))
#define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE 4
#elif defined(__ia64__) || defined(__x86_64)
#define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE 8
#endif
int main(void)
{
void * p = NULL;
srand(time(0));
int a = 100000;
while (a--)
{
int n = rand() % 10000;
p = new char[n];
size_t w = *((size_t*)((char*)p - _ALLOCA_S_MARKER_SIZE));
if ( n <= 8) n = 9;
int n2 = ((n+7) & 0xFFFFFFF0) + 0x11;
assert(n2 == w);
}
return 0;
}
实际上我们在统计的时候并不关心调用者申请的大小，而是编译器真正申请和释放的大小，即，代码如下：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
#if(defined(_X86_) && !defined(__x86_64))
#define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE 4
#elif defined(__ia64__) || defined(__x86_64)
#define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE 8
#endif
size_t count = 0;
extern "C"
{
void* __real_malloc(int c);
void * __wrap_malloc(int size)
{
void *p = __real_malloc(size);
size_t w = *((size_t*)((char*)p - _ALLOCA_S_MARKER_SIZE)) - 1;
count += w;
cout<<"malloc "<<w<<endl;
return p;
}
void __real_free(void *ptr);
void __wrap_free(void *ptr)
{
size_t w = *((size_t*)((char*)ptr - _ALLOCA_S_MARKER_SIZE)) - 1;
count -= w;
cout<<"free "<<w<<endl;
__real_free(ptr);
}
}
void *operator new(size_t size)
{
return malloc(size);
}
void operator delete(void *ptr)
{
free(ptr);
}
int main(void)
{
count = 0;
int *p1 = new int(3);
int *p2 = new int(4);
cout <<*p1<<' '<<*p2<<endl;
delete p1;
if(count != 0)
cout<<"memory leak!"<<endl;
return 0;
}
现在我们分别针对以上提到的两种情况测试：
（1）申请了子类的空间却只释放了父类的空间
class father
{
int *p1;
public:
father(){p1 = new int;}
~father(){delete p1;}
};
class son : public father
{
int *p2;
public:
son(){p2 = new int;}
~son(){delete p2;}
};
int main(void)
{
count = 0;
father *p = new son;
delete p;
if(count != 0)
cout<<"memory leak!"<<endl;
return 0;
}
（2）申请了一个数组的空间却只释放第一项元素的空间
class A
{
int *p1;
public:
A(){p1 = new int;}
~A(){delete p1;}
};
int main(void)
{
count = 0;
A *p = new A[5];
delete p;
if(count != 0)
cout<<"memory leak!"<<endl;
return 0;
}
分析：
- 方便性：
| 功能 | 是否支持 | 说明 |
|---|---|---|
| 运行时检查 | 否 | 该方法要求运行结束时对运行中产生的打印分析才能知道结果。 |
| 修改是否方便 | 是 | wrap函数实现非常简单，且只需要实现一次，对所有参与链接的文件都有效 |
| 使用是否方便 | 是 | 要关掉这一功能，只需要将这个链接选项去掉即可 |
- 全面性：
| 功能 | 是否支持 | 说明 |
|---|---|---|
| C接口是否可以统一处理 | 否 | C的每个接口都需要分别写包装函数 |
| C++接口是否可以统一处理 | 是 | |
| 动态库与静态库的内存泄漏是否可以检测到 | 是 | wrap是个链接选项，对所有通过wrap与__wrap_malloc和__wrap_free链接到一起的文件都起作用，不管是.o、.a或者.so |
- 准确性：
| 功能 | 是否支持 | 说明 |
|---|---|---|
| 是否会有检测不到的情况 | 否 | |
| 是否可以定位到行 | 否 | |
| 是否可以确定泄漏空间的大小 | 是 |
改进
linux中内存泄漏的检测（二）定制化的malloc/free