So erkennen und beheben Sie Speicherlecks unter Linux

Speicherverlust bezieht sich auf das Phänomen, dass das Programm Speicherplatz beansprucht, diesen aber während des laufenden Prozesses nicht rechtzeitig freigibt, wodurch immer mehr Speicher belegt wird und sogar das System abstürzt. Speicherlecks sind ein häufiger Softwarefehler und ein Problem, das bei Linux-Systemen nicht ignoriert werden kann. Wie kann man also Speicherlecks unter Linux finden und beheben? Welche Tools können uns helfen, Speicherlecks zu erkennen und zu analysieren? In diesem Artikel werden Ihnen mehrere häufig verwendete Tools für Speicherverluste unter Linux vorgestellt, mit denen Sie Speicherressourcen unter Linux besser verwalten und optimieren können.

Speicherlecks können in die folgenden Kategorien unterteilt werden:
1. Häufige Speicherlecks. Code mit Speicherverlusten wird mehrmals ausgeführt, was bei jeder Ausführung zu einem Speicherverlust führt.
2. Sporadische Speicherlecks. Code, der Speicherverluste verursacht, tritt nur unter bestimmten Umständen oder Vorgängen auf. Häufig und sporadisch sind relativ. Unter bestimmten Umständen kann das, was gelegentlich vorkommt, zur Normalität werden. Daher sind die Testumgebung und die Testmethoden für die Erkennung von Speicherlecks von entscheidender Bedeutung.
3. Einmaliger Speicherverlust. Der Code, der einen Speicherverlust verursacht, wird nur einmal ausgeführt, oder aufgrund von Algorithmusfehlern wird immer nur ein einziger Speicherblock verloren gehen. Beispielsweise wird im Konstruktor einer Singleton-Klasse Speicher zugewiesen, im Destruktor wird der Speicher jedoch nicht freigegeben. Da es nur eine Instanz der Singleton-Klasse gibt, tritt der Speicherverlust nur einmal auf.
4. Impliziter Speicherverlust. Das Programm reserviert während der Ausführung kontinuierlich Speicher, gibt den Speicher jedoch erst am Ende frei. Streng genommen liegt hier kein Speicherverlust vor, da das Programm schließlich den gesamten angeforderten Speicher freigibt. Bei einem Serverprogramm, das tage-, wochen- oder sogar monatelang ausgeführt werden muss, kann es jedoch auch dazu führen, dass der gesamte Systemspeicher erschöpft ist, wenn der Speicher nicht rechtzeitig freigegeben wird. Daher bezeichnen wir diese Art von Speicherverlust als impliziten Speicherverlust.

Tool zur Erkennung von Speicherlecks

Es gibt viele Möglichkeiten, Speicherlecks zu erkennen. Im Folgenden finden Sie eine Liste häufig verwendeter Tools zur Speicherleckerkennung unter Linux.

1, mtrace

Anwendungsumgebung: Linux GLIBC

Programmiersprache: C

Gebrauchsanweisung: Fügen Sie die Header-Datei mcheck.h ein, definieren Sie die Umgebungsvariable MALLOC_TRACE als Ausgabedateinamen und rufen Sie mtrace() auf, wenn das Programm startet.

Ergebnisausgabe: benutzerdefinierte Datei

Designidee: Fügen Sie Hook-Funktionen zu malloc-, realloc- und freien Funktionen hinzu und zeichnen Sie die Ausführung jedes malloc-freien Paares auf

Vor- und Nachteile: Es können nur Speicherlecks überprüft werden, die durch die Verwendung von malloc/realloc/free verursacht wurden

So erhalten Sie es: GLIBC ist im Lieferumfang enthalten und kann direkt verwendet werden

2.memwatch

Anwendungsumgebung: Linux

Programmiersprache: C

Anleitung: Beim Kompilieren memwatch.h hinzufügen, -DMEMWATCH -DMW_STDIO und memwatch.c hinzufügen

Ergebnisausgabe: Der Name der Ausgabedatei lautet memwatch.log. Während der Programmausführung werden Fehlermeldungen auf stdout angezeigt

Designidee: Definieren Sie malloc/realloc/calloc/strdup/free usw. neu als mwMalloc(sz,

FILE, LINE) usw. und verwalten Sie intern eine verknüpfte Operationsliste

Vor- und Nachteile: Kann doppelt freien, fehlerhaften freien, nicht freigegebenen Speicher, Überlauf, Unterlauf usw. erkennen.

So erhalten Sie: http://memwatch.sourceforge.net/

3.valgrind

Anwendungsumgebung: Linux

Programmiersprache: C/C++

Verwendung: Fügen Sie beim Kompilieren die Option -g hinzu, z. B. gcc -g Dateiname.c -o Dateiname, und verwenden Sie den folgenden Befehl, um die Speichernutzung zu erkennen:

Ergebnisausgabe: #valgrind –tool=memcheck –leak-check=yes –show-reachable=yes ./filename, Sie sehen den Speichernutzungsbericht

Designidee: Pflegen Sie eine gültige Adressraumtabelle und eine ungültige Adressraumtabelle (Adressraum des Prozesses) entsprechend dem Speicherbetrieb der Software

Vor- und Nachteile: Erkennungsfähigkeit:

• Verwendung von nicht initialisiertem Speicher
• Nutzung des freigegebenen Speichers (Lesen/Schreiben des Speichers, nachdem er freigegeben wurde)
• Es wird mehr Speicherplatz verwendet, als Malloc zugewiesen hat (Lesen/Schreiben des Endes von Malloc-Blöcken)
• Unzulässiger Zugriff auf den Stapel (Lesen/Schreiben ungeeigneter Bereiche auf dem Stapel)
• Ob der angewendete Speicherplatz freigegeben wurde (Speicherlecks – bei denen Zeiger auf mallocierte Blöcke für immer verloren gehen)
• Nicht übereinstimmende Verwendung von malloc/new/new [] vs. free/delete/delete [])
• Überlappende src- und dst-Zeiger in memcpy() und verwandten Funktionen)
• Kostenlos wiederholen

Anfahrt: http://valgrind.org/

4.debug_new

Anwendungsumgebung: Linux/Windows

Programmiersprache: C++

Anweisungen: Header-Datei debug_new.h einbinden, debug_new.cpp verknüpfen

Ergebnisausgabe: Konsole

Designidee: Erfassen Sie Speicheranwendungs-/-freigabeanforderungen durch Überladen der neuen und Löschoperatoren und führen Sie eine Hash-Liste globaler statischer Variablen im Programm. Im neuen Operator wird nicht nur der vom Benutzer angeforderte Speicher zugewiesen, sondern auch ein Header zu jedem zugewiesenen Speicher hinzugefügt, der die Standortinformationen und den verknüpften Listenzeiger der Zuweisung speichert. Der Wert wird nach dem Hinzufügen zurückgegeben Head-Offset zum Speicher, und dieser Rückgabewert wurde zuvor HASH-berechnet und zur HASH-verknüpften Liste hinzugefügt. Führen Sie beim Löschen zunächst eine HASH-Berechnung basierend auf der freizugebenden Zeigeradresse durch und durchsuchen Sie dann die verknüpfte Liste anhand des zu durchsuchenden Array-HASH-Werts. Wenn der Knoten nicht gefunden wird, wird er abgebrochen. Überprüfen Sie auf diese Weise nach Programmende, ob in diesem Array nicht freigegebene Speicherblöcke vorhanden sind, um festzustellen, ob ein Speicherverlust vorliegt.

Vor- und Nachteile: plattformübergreifend, nur für C++-Programme,

So erhalten Sie: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-mleak2/index.html

Zusammenfassung

Die von den oben genannten Analysetools verwendeten Methoden lassen sich grob in die folgenden Kategorien einteilen:

1. Speicherzuweisung registrieren/Hook-Funktion freigeben (Hook). Unter Linux gibt es fünf Hook-Funktionen wie malloc_hook und free_hook. Unter Windows können Sie die Hook-Funktion _CrtSetAllocHook registrieren, damit diese Anforderung erfasst und verarbeitet werden kann, wenn Speicher zugewiesen wird. Visual Leak Detecter und mtrace verwenden diese Methode.

2. Verwenden Sie die Ersetzung von Makrodefinitionen. Ersetzen Sie malloc und free im Benutzercode durch benutzerdefinierte Funktionen wie mwMalloc(sz, FILE, LINE), um Speicheranforderungen zu verfolgen.

3. Überlastung des Bedieners. Diese Methode wird nur in der Sprache C++ verwendet. Sie implementiert die Verfolgung von Speicheranforderungen durch Überladen der Operatoren new und delete. Die überladenen Operatoren ähneln der Bedeutung von Hook-Funktionen. debug_new verfolgt diesen Ansatz.

Die Ausgabemethoden dieser Tools sind außerdem in die folgenden Typen unterteilt:

1. Unter normalen Umständen wird die Ausgabe im Allgemeinen an das Debugging-Fenster gesendet. Viele Softwareprogramme selbst bieten einen idealen Ausgabeort, und die Ausgabe von GUI-Anwendungen an die Standardausgabe ist nicht sichtbar. Visual Leak Detecter verwendet diese Methode.

2. Ausgabe auf Standardausgabe oder Standardfehlerausgabe: Konsolenanwendungen wie memwatch, valgrind und debug_new können diese Methode verwenden.

3. Ausgabe in Protokolldatei: Geben Sie die Ergebnisse in benutzerdefinierte oder Standardprotokolldateien aus, z. B. mtrace und memwatch.

Darüber hinaus sind die Speichererkennungsmethoden dieser Tools in zwei Typen unterteilt:

1. Pflegen Sie eine verknüpfte Speicheroperationsliste. Wenn eine Speicheranwendungsoperation vorhanden ist, wird sie zu dieser verknüpften Liste hinzugefügt. Wenn nach dem Ende des Programms noch Inhalt in der verknüpften Liste vorhanden ist, liegt ein Speicherverlust vor. Wenn der freizugebende Speichervorgang den entsprechenden Vorgang in der verknüpften Liste nicht findet, bedeutet dies, dass er mehrmals freigegeben wurde . Verwenden Sie diese Methode mit integrierten Debugging-Tools, Visual Leak Detecter, mtrace, memwatch, debug_new.

2. Simulieren Sie den Adressraum des Prozesses. Um zu modellieren, wie das Betriebssystem Prozessspeicheroperationen verarbeitet, wird im Benutzermodus eine Adressraumzuordnung verwaltet. Diese Methode erfordert ein tiefes Verständnis der Prozessadressraumverarbeitung. Da die Prozessadressraumverteilung von Windows nicht Open Source ist, ist sie schwer zu simulieren und wird daher nur unter Linux unterstützt. Derjenige, der diesen Ansatz verfolgt, ist Valgrind.

Durch diesen Artikel sollten Sie ein grundlegendes Verständnis des Speicherverlustproblems unter Linux haben und dessen Ursachen, Auswirkungen und Lösungen kennen. Sie haben auch einige unter Linux häufig verwendete Speicherleck-Tools wie Valgrind, Memwatch, Mtrace usw. sowie deren Verwendungsmethoden und Vor- und Nachteile kennengelernt. Wir empfehlen Ihnen, diese Tools zum Erkennen und Analysieren von Speicherlecks beim Entwickeln und Testen von Linux-Programmen zu verwenden, um die Programmleistung und -stabilität zu verbessern. Gleichzeitig erinnern wir Sie auch daran, bei der Verwendung dieser Tools einige Vorsichtsmaßnahmen und Einschränkungen zu beachten, um Fehleinschätzungen oder Auslassungen zu vermeiden. Ich hoffe, dass dieser Artikel Ihnen dabei helfen kann, das Linux-System besser zu nutzen und Ihnen das Schreiben hochwertiger Programme unter Linux ermöglicht.

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