0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

内存是如何泄露的

科技绿洲 来源:Linux开发架构之路 作者:Linux开发架构之路 2023-11-13 14:13 次阅读

作为 C++ 程序员,内存泄露始终是悬在头上的一颗炸弹。在过去几年的 C++ 开发过程中,由于我们采用了一些技术,我们的程序发生内存泄露的情况屈指可数。今天就在这里向大家做一个简单的介绍。

内存是如何泄露的

在 C++ 程序中,主要涉及到的内存就是『栈』和『堆』(其他部分不在本文中介绍了)。

图片

通常来说,一个线程的栈内存是有限的,通常来说是 8M 左右(取决于运行的环境)。栈上的内存通常是由编译器来自动管理的。当在栈上分配一个新的变量时,或进入一个函数时,栈的指针会下移,相当于在栈上分配了一块内存。我们把一个变量分配在栈上,也就是利用了栈上的内存空间。当这个变量的生命周期结束时,栈的指针会上移,相同于回收了内存。

由于栈上的内存的分配和回收都是由编译器控制的,所以在栈上是不会发生内存泄露的,只会发生栈溢出(Stack Overflow),也就是分配的空间超过了规定的栈大小。

而堆上的内存是由程序直接控制的,程序可以通过 malloc/free 或 new/delete 来分配和回收内存,如果程序中通过 malloc/new 分配了一块内存,但忘记使用 free/delete 来回收内存,就发生了内存泄露。

经验 #1:尽量避免在堆上分配内存

既然只有堆上会发生内存泄露,那第一原则肯定是避免在堆上面进行内存分配,尽可能的使用栈上的内存,由编译器进行分配和回收,这样当然就不会有内存泄露了。

然而,只在栈上分配内存,在有 IO 的情况下是存在一定局限性的。

举个例子,为了完成一个请求,我们通常会为这个请求构造一个 Context 对象,用于描述和这个请求有关的一些上下文。例如下面一段代码:

void Foo(Reuqest* req) {
    RequestContext ctx(req);
    HandleRequest(&ctx);
}

如果 HandleRequest 是一个同步函数,当这个函数返回时,请求就可以被处理完成,那么显然 ctx 是可以被分配在栈上的。

但如果 HandleRequest 是一个异步函数,例如:

void HandleRequest(RequestContext* ctx, Callback cb);

那么显然,ctx 是不能被分配在栈上的,因为如果 ctx 被分配在栈上,那么当 Foo 函数推出后,ctx 对象的生命周期也就结束了。而 FooCB 中显然会使用到 ctx 对象。

void HandleRequest(RequestContext* ctx, Callback cb);

void Foo(Reuqest* req) {
    auto ctx = new RequestContext(req);
    HandleRequest(ctx, FooCB);
}

void FooCB(RequestContext* ctx) {
    FinishRequest(ctx);
    delete ctx;
}

在这种情况下,如果忘记在 FooCB 中调用 delete ctx,则就会触发内存泄露。尽管我们可以借助一些静态检查工具对代码进行检查,但往往异步程序的逻辑是极其复杂的,一个请求的生命周期中,也需要进行大量的内存分配操作,静态检查工具往往无法发现所有的内存泄露情况。

那么怎么才能避免这种情况的产生呢?引入智能指针显然是一种可行的方法,但引入 shared_ptr 往往引入了额外的性能开销,并不十分理想。

在 SmartX,我们通常采用两种方法来应对这种情况。

经验 #2:使用 Arena

Arena 是一种统一化管理内存生命周期的方法。所有需要在堆上分配的内存,不通过 malloc/new,而是通过 Arena 的 CreateObject 接口。同时,不需要手动的执行 free/delete,而是在 Arena 被销毁的时候,统一释放所有通过 Arena 对象申请的内存。所以,只需要确保 Arena 对象一定被销毁就可以了,而不用再关心其他对象是否有漏掉的 free/delete。这样显然降低了内存管理的复杂度。

此外,我们还可以将 Arena 的生命周期与 Request 的生命周期绑定,一个 Request 生命周期内的所有内存分配都通过 Arena 完成。这样的好处是,我们可以在构造 Arena 的时候,大概预估出处理完成这个 Request 会消耗多少内存,并提前将会使用到的内存一次性的申请完成,从而减少了在处理一个请求的过程中,分配和回收内存的次数,从而优化了性能。

我们最早看到 Arena 的思想,是在 LevelDB 的代码中。这段代码相当简单,建议大家直接阅读。

经验 #3:使用 Coroutine

Coroutine 相信大家并不陌生,那 Coroutine 的本质是什么?我认为 Coroutine 的本质,是使得一个线程中可以存在多个上下文,并可以由用户控制在多个上下文之间进行切换。而在上下文中,一个重要的组成部分,就是栈指针。使用 Coroutine,意味着我们在一个线程中,可以创造(或模拟)多个栈。

有了多个栈,意味着当我们要做一个异步处理时,不需要释放当前栈上的内存,而只需要切换到另一个栈上,就可以继续做其他的事情了,当异步处理完成时,可以再切换回到这个栈上,将这个请求处理完成。

还是以刚才的代码为示例:

void Foo(Reuqest* req) {
    RequestContext ctx(req);
    HandleRequest(&ctx);
}

void HandleRequest(RequestCtx* ctx) {
    SubmitAsync(ctx);
    Coroutine::Self()- >Yield();
    CompleteRequest(ctx);
}

这里的精髓在于,尽管 Coroutine::Self()->Yield() 被调用时,程序可以跳出 HandleRequest 函数去执行其他代码逻辑,但当前的栈却被保存了下来,所以 ctx 对象是安全的,并没有被释放。

这样一来,我们就可以完全抛弃在堆上申请内存,只是用栈上的内存,就可以完成请求的处理,完全不用考虑内存泄露的问题。然而这种假设过于理想,由于在栈上申请内存存在一定的限制,例如栈大小的限制,以及需要在编译是知道分配内存的大小,所以在实际场景中,我们通常会结合使用 Arena 和 Coroutine 两种技术一起使用。

有人可能会提到,想要多个栈用多个线程不就可以了?然而用多线程实现多个栈的问题在于,线程的创建和销毁的开销极大,且线程间切块,也就是在栈之间进行切换的代销需要经过操作系统,这个开销也是极大的。所以想用线程模拟多个栈的想法在实际场景中是走不通的。

关于 Coroutine 有很多开源的实现方式,大家可以在 github 上找到很多,C++20 标准也会包含 Coroutine 的支持。在 SmartX 内部,我们很早就实现了 Coroutine,并对所有异步 IO 操作进行了封装,示例可参考我们之前的一篇文章 smartx:基于 Coroutine 的异步 RPC 框架示例(C++)

这里需要强调一下,Coroutine 确实会带来一定的性能开销,通常 Coroutine 切换的开销在 20ns 以内,然而我们依然在对性能要求很苛刻的场景使用 Coroutine,一方面是因为 20ns 的性能开销是相对很小的,另一方面是因为 Coroutine 极大的降低了异步编程的复杂度,降低了内存泄露的可能性,使得编写异步程序像编写同步程序一样简单,降低了程序员心智的开销。

图片

经验 #4:善用 RAII

尽管在有些场景使用了 Coroutine,但还是可能会有在堆上申请内存的需要,而此时有可能 Arena 也并不适用。在这种情况下,善用 RAII(Resource Acquisition Is Initialization)思想会帮助我们解决很多问题。

简单来说,RAII 可以帮助我们将管理堆上的内存,简化为管理栈上的内存,从而达到利用编译器自动解决内存回收问题的效果。此外,RAII 可以简化的还不仅仅是内存管理,还可以简化对资源的管理,例如 fd,锁,引用计数等等。

当我们需要在堆上分配内存时,我们可以同时在栈上面分配一个对象,让栈上面的对象对堆上面的对象进行封装,用时通过在栈对象的析构函数中释放堆内存的方式,将栈对象的生命周期和堆内存进行绑定。

unique_ptr 就是一种很典型的例子。然而 unique_ptr 管理的对象类型只能是指针,对于其他的资源,例如 fd,我们可以通过将 fd 封装成另外一个 FileHandle 对象的方式管理,也可以采用一些更通用的方式。例如,在我们内部的 C++ 基础库中实现了 Defer 类,想法类似于 Go 中 defer。

void Foo() {

    int fd = open();

    Defer d = [=]() { close(fd); }

    // do something with fd

}

经验 #5:便于 Debug

在特定的情况下,我们难免还是要手动管理堆上的内存。然而当我们面临一个正在发生内存泄露线上程序时,我们应该怎么处理呢?

当然不是简单的『重启大法好』,毕竟重启后还是可能会产生泄露,而且最宝贵的现场也被破坏了。最佳的方式,还是利用现场进行 Debug,这就要求程序具有便于 Debug 的能力。

这里不得不提到一个经典而强大的工具 gperftools。gperftools 是 google 开源的一个工具集,包含了 tcmalloc,heap profiler,heap checker,cpu profiler 等等。gperftools 的作者之一,就是大名鼎鼎的 Sanjay Ghemawat,没错,就是与 Jeff Dean 齐名,并和他一起写 MapReduce 的那个 Sanjay。

gperftools 的一些经典用法,我们就不在这里进行介绍了,大家可以自行查看文档。而使用 gperftools 可以在不重启程序的情况下,进行内存泄露检查,这个恐怕是很少有人了解。

实际上我们 Release 版本的 C++ 程序可执行文件在编译时全部都链接了 gperftools。在 gperftools 的 heap profiler 中,提供了 HeapProfilerStart 和 HeapProfilerStop 的接口,使得我们可以在运行时启动和停止 heap profiler。同时,我们每个程序都暴露了 RPC 接口,用于接收控制命令和调试命令。在调试命令中,我们就增加了调用 HeapProfilerStart 和 HeapProfilerStop 的命令。由于链接了 tcmalloc,所以 tcmalloc 可以获取所有内存分配和回收的信息。当 heap profiler 启动后,就会定期的将程序内存分配和回收的行为 dump 到一个临时文件中。

当程序运行一段时间后,你将得到一组 heap profile 文件

profile.0001.heap
  profile.0002.heap
  ...
  profile.0100.heap

每个 profile 文件中都包含了一段时间内,程序中内存分配和回收的记录。如果想要找到内存泄露的线索,可以通过使用

pprof --base=profile.0001.heap /usr/bin/xxx profile.0100.heap --text

来进行查看,也可以生成 pdf 文件,会更直观一些。

图片

这样一来,我们就可以很方便的对线上程序的内存泄露进行 Debug 了。

写在最后

C++ 可谓是最复杂、最灵活的语言,也最容易给大家带来困扰。如果想要用好 C++,团队必须保持比较成熟的心态,团队成员必须愿意按照一定的规则来使用 C++,而不是任性的随意发挥。这样大家才能把更多精力放在业务本身,而不是编程语言的特性上。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 内存
    +关注

    关注

    8

    文章

    3023

    浏览量

    74029
  • 程序
    +关注

    关注

    117

    文章

    3786

    浏览量

    81023
  • C++
    C++
    +关注

    关注

    22

    文章

    2108

    浏览量

    73636
  • 线程
    +关注

    关注

    0

    文章

    504

    浏览量

    19680
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    使用valgrind对代码进行内存泄露检测

    代码可能存在内存泄露怎么办?
    发表于 08-21 15:30 398次阅读
    使用valgrind对代码进行<b class='flag-5'>内存</b><b class='flag-5'>泄露</b>检测

    关于labview中的内存泄露

    。4.最好不要用顺序结构,特别是层叠式顺序结构。NI工程师评论:内存泄露的问题,这个问题比较普遍,DAQmx任务涉及到硬件资源,凡是打开了硬件就需要及时的关闭硬件 就我个人习惯而言,如果有可能在一个程序中
    发表于 12-06 16:05

    分析你App的内存使用之找到内存泄露

    INSTRUMENTS调试工具的使用(二十九) —— 分析你App的内存使用之找到内存泄露(四)
    发表于 05-14 16:02

    内存泄露内存溢出是什么意思

    面试题目汇总最重要:简单又重点突出的自我介绍!1、内存泄露内存溢出是什么意思2、static的使用3、break 和continue的区别4、指针函数和函数指针的区别5、数组和链表的区别
    发表于 12-20 07:47

    怎样去解决单片机使用malloc产生内存泄露的问题呢

    为什么单片机使用malloc会导致内存泄露呢?怎样去解决单片机使用malloc产生内存泄露的问题呢?
    发表于 01-27 06:23

    怎么去解决paho mqtt和mymqtt的内存泄露问题呢?

    我在使用paho mqtt和mymqtt这两个软件包的时候,存在内存泄露问题。每次mqtt发送数据前后后,用free查看内存发送前内存情况:total memory: 441216us
    发表于 02-01 16:03

    请教一下大神ec200x内存泄露是何原因呢?

    ){ ec200x_init(device); 初始化ec200,开启网络功能 //联网通信发送。(经过验证,网络传输这一块代码没有内存泄露) ec200x_deinit(device);关闭ec200,关闭
    发表于 05-17 11:25

    全志R128内存泄露调试案例

    内存泄露调试案例 问题背景 硬件:R128 软件:FreeRTOS + rtplayer_test(Cedarx)+ AudioSystem 问题复现 复现步骤: rtplayer_test
    发表于 12-11 10:57

    记一次调试python内存泄露的问题解决方案分享

    python作为动态类型语言同时拥有垃圾回收机怎么会有内存泄露? 其实也有可能出现内存泄露的情况, 有如下几种。
    的头像 发表于 12-18 16:55 4522次阅读
    记一次调试python<b class='flag-5'>内存</b><b class='flag-5'>泄露</b>的问题解决方案分享

    内存溢出和内存泄露的区别_内存溢出的原因以及解决方法

    内存溢出和内存泄露的区别是什么?内存溢出怎么解决?内存溢出是指程序在申请内存时,没有足够的
    发表于 06-01 10:27 2912次阅读

    记录单片机使用malloc产生内存泄露的问题及解决方法

    项目场景:单片机使用malloc产生内存泄露的问题问题描述:bug1:创建了一个结构体指针,通过malloc动态开辟内存的方式开辟了一段内存空间,然后进行写入数据修改数据的操作,但是下
    发表于 12-03 10:21 8次下载
    记录单片机使用malloc产生<b class='flag-5'>内存</b><b class='flag-5'>泄露</b>的问题及解决方法

    【RT-Thread学习笔记】用memwatch排除内存泄露

    【RT-Thread学习笔记】使用memwatch排除内存泄露
    的头像 发表于 07-30 14:01 2331次阅读
    【RT-Thread学习笔记】用memwatch排除<b class='flag-5'>内存</b><b class='flag-5'>泄露</b>

    glibc导致的堆外内存泄露的排查过程

    本文记录一次glibc导致的堆外内存泄露的排查过程。
    的头像 发表于 09-01 09:43 718次阅读
    glibc导致的堆外<b class='flag-5'>内存</b><b class='flag-5'>泄露</b>的排查过程

    如何使用valgrind对代码进行内存泄露检测

    代码可能存在 内存泄露 怎么办? 使用 valgrind 可以对代码进行内存泄露检测。 valgrind下载安装 安装: 1 、tar –jxvf valgrind- 3 . 21 .
    的头像 发表于 10-04 14:56 859次阅读
    如何使用valgrind对代码进行<b class='flag-5'>内存</b><b class='flag-5'>泄露</b>检测

    mtrace分析内存泄露

    一、mtrace分析内存泄露 mtrace(memory trace),是 GNU Glibc 自带的内存问题检测工具,它可以用来协助定位内存泄露
    的头像 发表于 11-13 10:55 1291次阅读
    mtrace分析<b class='flag-5'>内存</b><b class='flag-5'>泄露</b>