C语言中最大烦恼被解决！指针和内存泄漏攻坚战

整理：付斌，参考资料：Manish Virmani、那些年躲过的坑儿、姜茶

引言

对于任何使用 C 语言的人，如果问他们 C 语言的最大烦恼是什么，其中许多人可能会回答说是指针和内存泄漏。这些的确是消耗了开发人员大多数调试时间的事项。指针和内存泄漏对某些开发人员来说似乎令人畏惧，但是一旦您了解了指针及其关联内存操作的基础，它们就是您在 C 语言中拥有的最强大工具。

本文将与您分享开发人员在开始使用指针来编程前应该知道的秘密。本文内容包括：

1. 导致内存破坏的指针操作类型
2. 在使用动态内存分配时必须考虑的检查点
3. 导致内存泄漏的场景

如果您预先知道什么地方可能出错，那么您就能够小心避免陷阱，并消除大多数与指针和内存相关的问题。

啥是内存泄漏

内存泄露在维基百科中的解释如下：

在计算机科学中，内存泄漏指由于疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存。内存泄漏并非指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，由于设计错误，导致在释放该段内存之前就失去了对该段内存的控制，从而造成了内存的浪费。

在C++中出现内存泄露的主要原因就是程序猿在申请了内存后(malloc(), new)，没有及时释放没用的内存空间，甚至消灭了指针导致该区域内存空间根本无法释放。

知道了出现内存泄露的原因就能知道如何应对内存泄露，即：不用了的内存空间记得释放，不释放留着过年哇！

内存泄漏可能会导致严重的后果：

●  程序运行后，随着时间占用了更多的内存，最后无内存可用而崩溃；
●  程序消耗了大量的内存，导致其他程序无法正常使用；
●  程序消耗了大量内存，导致消费者选用了别人的程序而不是你的；
●  经常做出内存泄露bug的程序猿被公司开出而贫困潦倒。

如何知道自己的程序存在内存泄露？

根据内存泄露的原因及其恶劣的后果，我们可以通过其主要表现来发现程序是否存在内存泄漏：程序长时间运行后内存占用率一直不断的缓慢的上升，而实际上在你的逻辑中并没有这么多的内存需求。

如何定位到泄露点呢？

根据原理，我们可以先review自己的代码，利用"查找"功能，查询new与delete，看看内存的申请与释放是不是成对释放的，这使你迅速发现一些逻辑较为简单的内存泄露情况。

如果依旧发生内存泄露，可以通过记录申请与释放的对象数目是否一致来判断。在类中追加一个静态变量 static int count;在构造函数中执行count++;在析构函数中执行count--;，通过在程序结束前将所有类析构，之后输出静态变量，看count的值是否为0，如果为0,则问题并非出现在该处，如果不为0，则是该类型对象没有完全释放。

检查类中申请的空间是否完全释放，尤其是存在继承父类的情况，看看子类中是否调用了父类的析构函数，有可能会因为子类析构时没有是否父类中申请的内存空间。

对于函数中申请的临时空间，认真检查，是否存在提前跳出函数的地方没有释放内存。

什么地方可能出错？

有几种问题场景可能会出现，从而可能在完成生成后导致问题。在处理指针时，您可以使用本文中的信息来避免许多问题。

未初始化的内存

在本例中，p 已被分配了 10 个字节。这 10 个字节可能包含垃圾数据，如图 1 所示。

char *p = malloc ( 10 );


图 1. 垃圾数据

如果在对这个 p 赋值前，某个代码段尝试访问它，则可能会获得垃圾值，您的程序可能具有不可预测的行为。p 可能具有您的程序从未曾预料到的值。

良好的习惯是始终结合使用 memset 和 malloc分配内存，或者使用 calloc。

char *p = malloc (10);
memset(p,’\0’,10);


现在，即使同一个代码段尝试在对 p 赋值前访问它，该代码段也能正确处理 Null 值（在理想情况下应具有的值），然后将具有正确的行为。

内存覆盖

由于 p 已被分配了 10 个字节，如果某个代码片段尝试向 p 写入一个 11 字节的值，则该操作将在不告诉您的情况下自动从其他某个位置“吃掉”一个字节。让我们假设指针 q 表示该内存。

图 2. 原始 q 内容

图 3. 覆盖后的 q 内容

结果，指针 q 将具有从未预料到的内容。即使您的模块编码得足够好，也可能由于某个共存模块执行某些内存操作而具有不正确的行为。下面的示例代码片段也可以说明这种场景。

char *name = (char *) malloc(11); 
// Assign some value to name
memcpy ( p,name,11); // Problem begins here


在本例中，memcpy 操作尝试将 11 个字节写到 p，而后者仅被分配了 10 个字节。

作为良好的实践，每当向指针写入值时，都要确保对可用字节数和所写入的字节数进行交叉核对。一般情况下，memcpy 函数将是用于此目的的检查点。

内存读取越界

内存读取越界 (overread) 是指所读取的字节数多于它们应有的字节数。这个问题并不太严重，在此就不再详述了。下面的代码提供了一个示例。

char *ptr = (char *)malloc(10);
char name[20] ;
memcpy ( name,ptr,20); // Problem begins here


在本例中，memcpy 操作尝试从 ptr 读取 20 个字节，但是后者仅被分配了 10 个字节。这还会导致不希望的输出。

内存泄漏

内存泄漏可能真正令人讨厌。下面的列表描述了一些导致内存泄漏的场景。

• 重新赋值
  我将使用一个示例来说明重新赋值问题。

char *memoryArea = malloc(10);
char *newArea = malloc(10);


这向如下面的图 4 所示的内存位置赋值。

图 4. 内存位置

memoryArea 和 newArea 分别被分配了 10 个字节，它们各自的内容如图 4 所示。如果某人执行如下所示的语句（指针重新赋值）……

memoryArea = newArea;


则它肯定会在该模块开发的后续阶段给您带来麻烦。

在上面的代码语句中，开发人员将 memoryArea 指针赋值给 newArea 指针。结果，memoryArea 以前所指向的内存位置变成了孤立的，如下面的图 5 所示。它无法释放，因为没有指向该位置的引用。这会导致 10 个字节的内存泄漏。

图 5. 内存泄漏

在对指针赋值前，请确保内存位置不会变为孤立的。

• 首先释放父块
  假设有一个指针 memoryArea，它指向一个 10 字节的内存位置。该内存位置的第三个字节又指向某个动态分配的 10 字节的内存位置，如图 6 所示。

图 6. 动态分配的内存

free(memoryArea)


如果通过调用 free 来释放了 memoryArea，则 newArea 指针也会因此而变得无效。newArea 以前所指向的内存位置无法释放，因为已经没有指向该位置的指针。换句话说，newArea 所指向的内存位置变为了孤立的，从而导致了内存泄漏。

每当释放结构化的元素，而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针时，应首先遍历子内存位置（在此例中为 newArea），并从那里开始释放，然后再遍历回父节点。

这里的正确实现应该为：

free( memoryArea->newArea);
free(memoryArea);


• 返回值的不正确处理
  有时，某些函数会返回对动态分配的内存的引用。跟踪该内存位置并正确地处理它就成为了 calling 函数的职责。

char *func ( )
{
        return malloc(20); // make sure to memset this location to ‘\0’…
}

void callingFunc ( )
{
        func ( ); // Problem lies here
}


在上面的示例中，callingFunc() 函数中对 func() 函数的调用未处理该内存位置的返回地址。结果，func() 函数所分配的 20 个字节的块就丢失了，并导致了内存泄漏。

归还您所获得的

在开发组件时，可能存在大量的动态内存分配。您可能会忘了跟踪所有指针（指向这些内存位置），并且某些内存段没有释放，还保持分配给该程序。

始终要跟踪所有内存分配，并在任何适当的时候释放它们。事实上，可以开发某种机制来跟踪这些分配，比如在链表节点本身中保留一个计数器（但您还必须考虑该机制的额外开销）。

访问空指针

访问空指针是非常危险的，因为它可能使您的程序崩溃。始终要确保您不是 在访问空指针。

没有躲过的坑--指针（内存泄露）

C++被人骂娘最多的就是指针。

夜深人静的时候，拿出几个使用指针容易出现的坑儿。可能我的语言描述有些让人费劲，尽量用代码说话。

通过指向类的NULL指针调用类的成员函数

试图用一个null指针调用类的成员函数，导致崩溃：

#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
int value;
public:
void dumb() const {cout << "dumb()\n";}
void set(int x) {cout << "set()\n"; value=x;}
int get() const {cout << "get()\n"; return value;}
};

int main()
{
A *pA1 = new A;
A *pA2 = NULL;

pA1->dumb();
pA1->set(10);
pA1->get();
pA2->dumb();
pA2->set(20);//崩溃
pA2->get();

return 0;
}

为什么会这样？ 

通过非法指针调用函数，就相当于给函数传递了一个指向函数的非法指针！ 
但是为什么pA2->dumb()会成功呢？ 
因为导致崩溃的是访问了成员变量！！

使用已经释放的指针

struct X
{
int data;
};

int foo()
{
struct X *pX;
pX = (struct X *) malloc(sizeof (struct X));
pX->data = 10;
free(pX);
...
return pX->data;
}

使用未初始化的指针

如果你这样写，编译器会提示你使用了未初始化的变量p。

void fooA()

{
int *p;
*p = 100;
}

那么如果我释放一个初始化的指针呢？

void fooB()
{
int *p;
free(p);
}

结果是一样的！！

释放已经释放的指针
直接看看代码：

void fooA()
{
char *p;
p = (char *)malloc(100);
cout << "free(p)\n";
free(p);
cout << "free(p)\n";
free(p);
}

这样的问题也许不会立即使你的程序崩溃，那样后果更加严重！！

没有调用子类的析构函数
之前的博客讲过，父类的析构函数最好声明为虚！！

ParentClass *pObj = new ChildClass;

...
delete pObj;

上述代码会造成崩溃，如果父类的析构函数不声明为虚，那么不会调用继承类的析构函数，造成内存泄露。

内存溢出

当我们拷贝字符串的时候，我们常常会用到 memcpy函数。这里特别需要注意的就是字符串结尾的null字符：

char *p = (char *)malloc(strlen(str));
strcpy(p, str);

为了躲过这个坑，只需要把 strlen(str) 改为 strlen(str)+1。

记一次指针使用不当造成的内存泄露

刚写完一段代码，由于将很运行在移动设备上， 我决定先测试一下内存的使用量， 结果发现了很严重的内存泄漏， 在前前后后翻看了new 和delete并确认没有漏写的情况下， 泄露依然存在！调试后最终确认了问题是因为union的不当使用造成的， 下面开始还原现场：

typedef struct DATA_
{
    DATA_(int size = 10)
    {
        pVoid = new char[nSize];
        this->size = size;
    }
    virtual ~DATA_()
    {
        if (pVoid)
        {
            delete pVoid;
        }
    }
    int nSize;
    void *pVoid;
}DATA, *LPDATA;

struct STRUCT1
{
    STRUCT1(int count)
    {
        pVoid = new DATA[count];
        this->count = count;
    }
    virtual ~STRUCT1()
    {
        if (pVoid)
        {
            delete pVoid;
        }
    }
    int count;
    union
    {
        void *pVoid;
        LPDATA pData;
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    for( int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        void *p = new STRUCT1( 10 );
        delete p;
    }
    return 0;
}

在上面这段代码中，STRUCT1中包含了若干个DATA结构，DATA结构又申请了默认为10byte大小的内存，并且内存在对象析构的时候会用delete回收。乍一看这个代码貌似不会泄露内存，其实不然，待我分析：

在C++中构造函数与析构函数的调用是由编译器完成的，其中构造函数的调用一般是在对象空间开辟完以后（栈对象或者堆对象都是一样的），将参数压栈，this指针（对象的起始地址）放入eax寄存器（不同的编译器做法可能不同），然后跳到构造函数去执行。而析构函数的调用则是当对象内存被回收的时候被调用（栈对象是当代码执行到变量可见域外之前调用， 堆对象是在delete语句的位置进行调用）。

然而编译器并是那么智能的可以理解coder的意图，析构函数的调用是根据当前delete的指针类型来确定的，而（下面）这段代码却没有提供类型， 这导致了DATA_的析构函数将不会被调用，内存泄漏就在所难免了。

virtual ~STRUCT1()
    {
        if (pVoid)
        {
            delete pVoid;//问题在这, 应该使用delete pData;
        }
    }

总结

本文讨论了几种在使用动态内存分配时应该避免的陷阱。要避免内存相关的问题，良好的习惯是：

1.  始终结合使用 memset 和 malloc分配内存，或始终使用 calloc。
2.  每当向指针写入值时，都要确保对可用字节数和所写入的字节数进行交叉核对。
3.  在对指针赋值前，要确保没有内存位置会变为孤立的。
4.  每当释放结构化的元素（而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针）时，都应首先遍历子内存位置并从那里开始释放，然后再遍历回父节点。

5. 始终正确处理返回动态分配的内存引用的函数返回值。
6. 每个 malloc 都要有一个对应的 free。
7. 确保您不是在访问空指针。

参考链接：

https://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-toughgame/index.html

https://blog.csdn.net/jcq521045349/article/details/88957222

https://www.kancloud.cn/wangshubo1989/pit/100940

-END-

推荐阅读

【01】大神经验谈：C语言和指针的本质【02】C++中是如何实现智能指针的？【03】还没搞懂C语言指针？这里有最详细的纯干货讲解（附代码）【04】干货 || 对于C语言指针最详尽的讲解【05】指针和数组都是C语言的精髓所在，两者有何联系区别？

免责声明：整理文章为传播相关技术，版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除