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应用 Valgrind 发现 Linux 程序的内存问题 (2)

应用 Valgrind 发现 Linux 程序的内存问题 (2)

利用Memcheck发现常见的内存问题在Linux平台开发应用程序时,最常遇见的问题就是错误的使用内存,我们总结了常见了内存错误使用情况,并说明了如何用valgrind将其检测出来。
使用未初始化的内存问题分析:
对于位于程序中不同段的变量,其初始值是不同的,全局变量和静态变量初始值为0,而局部变量和动态申请的变量,其初始值为随机值。如果程序使用了为随机值的变量,那么程序的行为就变得不可预期。
下面的程序就是一种常见的,使用了未初始化的变量的情况。数组a是局部变量,其初始值为随机值,而在初始化时并没有给其所有数组成员初始化,如此在接下来使用这个数组时就潜在有内存问题。
清单 3结果分析:
假设这个文件名为:badloop.c,生成的可执行程序为badloop。用memcheck对其进行测试,输出如下。
清单 4输出结果显示,在该程序第11行中,程序的跳转依赖于一个未初始化的变量。准确的发现了上述程序中存在的问题。
内存读写越界问题分析:
这种情况是指:访问了你不应该/没有权限访问的内存地址空间,比如访问数组时越界;对动态内存访问时超出了申请的内存大小范围。下面的程序就是一个典型的数组越界问题。pt是一个局部数组变量,其大小为4,p初始指向pt数组的起始地址,但在对p循环叠加后,p超出了pt数组的范围,如果此时再对p进行写操作,那么后果将不可预期。
清单 5结果分析:
假设这个文件名为badacc.cpp,生成的可执行程序为badacc,用memcheck对其进行测试,输出如下。
清单 6输出结果显示,在该程序的第15行,进行了非法的写操作;在第16行,进行了非法读操作。准确地发现了上述问题。
内存覆盖问题分析:
C 语言的强大和可怕之处在于其可以直接操作内存,C 标准库中提供了大量这样的函数,比如 strcpy, strncpy, memcpy, strcat 等,这些函数有一个共同的特点就是需要设置源地址 (src),和目标地址(dst),src 和 dst 指向的地址不能发生重叠,否则结果将不可预期。
下面就是一个 src 和 dst 发生重叠的例子。在 15 与 17 行中,src 和 dst 所指向的地址相差 20,但指定的拷贝长度却是 21,这样就会把之前的拷贝值覆盖。第 24 行程序类似,src(x+20) 与 dst(x) 所指向的地址相差 20,但 dst 的长度却为 21,这样也会发生内存覆盖。
清单 7结果分析:
假设这个文件名为 badlap.cpp,生成的可执行程序为 badlap,用 memcheck 对其进行测试,输出如下。
清单 8输出结果显示上述程序中第15,17,24行,源地址和目标地址设置出现重叠。准确的发现了上述问题。
动态内存管理错误问题分析:
常见的内存分配方式分三种:静态存储,栈上分配,堆上分配。全局变量属于静态存储,它们是在编译时就被分配了存储空间,函数内的局部变量属于栈上分配,而最灵活的内存使用方式当属堆上分配,也叫做内存动态分配了。常用的内存动态分配函数包括:malloc, alloc, realloc, new等,动态释放函数包括free, delete。
        一旦成功申请了动态内存,我们就需要自己对其进行内存管理,而这又是最容易犯错误的。下面的一段程序,就包括了内存动态管理中常见的错误。
清单 9        常见的内存动态管理错误包括:
  • 申请和释放不一致
由于 C++ 兼容 C,而 C 与 C++ 的内存申请和释放函数是不同的,因此在 C++ 程序中,就有两套动态内存管理函数。一条不变的规则就是采用 C 方式申请的内存就用 C 方式释放;用 C++ 方式申请的内存,用 C++ 方式释放。也就是用 malloc/alloc/realloc 方式申请的内存,用 free 释放;用 new 方式申请的内存用 delete 释放。在上述程序中,用 malloc 方式申请了内存却用 delete 来释放,虽然这在很多情况下不会有问题,但这绝对是潜在的问题。
  • 申请和释放不匹配
申请了多少内存,在使用完成后就要释放多少。如果没有释放,或者少释放了就是内存泄露;多释放了也会产生问题。上述程序中,指针p和pt指向的是同一块内存,却被先后释放两次。
  • 释放后仍然读写
本质上说,系统会在堆上维护一个动态内存链表,如果被释放,就意味着该块内存可以继续被分配给其他部分,如果内存被释放后再访问,就可能覆盖其他部分的信息,这是一种严重的错误,上述程序第16行中就在释放后仍然写这块内存。
结果分析:
假设这个文件名为badmac.cpp,生成的可执行程序为badmac,用memcheck对其进行测试,输出如下。
清单 10输出结果显示,第14行分配和释放函数不一致;第16行发生非法写操作,也就是往释放后的内存地址写值;第17行释放内存函数无效。准确地发现了上述三个问题。
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