我撸了个内存泄漏检测工具，只用了两招

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大家看我写了这么长时间C++文章，殊不知我在工作中已经一年多没有用过C++了，最近做一个新项目，终于又回到C++的怀抱了，有点激动，也有点不适应。

不管使用什么语言，一定要处理好内存问题，要有检测内存问题的方法论，于是撸了个检测是否有泄漏的小工具，这里分享一波。

先贴个效果图：

实现方法

众所周知C++中申请和释放内存使用的是new和delete关键字：

 
 
 
 
  
  
  
  void func() { 
  
  
  
      A* a = new A(); 
  
  
  
      delete a; 
  
  
  
      A* b = new int[4]; 
  
  
  
      delete[] b; 
  
  
  
  }

再明确下需求：如果程序中存在内存泄漏，我们的目的是找到这些内存是在哪里分配的，如果能够具体对应到代码中哪一个文件的那一行代码最好。好了需求明确了，开始实现。

内存在哪里释放的我们没必要监测，只需要检测出内存是在哪里申请的即可，如何检测呢?

整体思路很简单：在申请内存时记录下该内存的地址和在代码中申请内存的位置，在内存销毁时删除该地址对应的记录，程序最后统计下还有哪条记录没有被删除，如果还有没被删除的记录就代表有内存泄漏。

很多人应该都知道new关键字更底层是通过operator new来申请内存的：

 
 
 
 
  
  
  
  void* operator new(std::size_t sz)

也就是正常情况下C++都是通过operator new(std::size_t sz)来申请内存，而这个操作符我们可以重载：

 
 
 
 
  
  
  
  void* operator new(std::size_t size, const char* file, int line); 
  
  
  
  void* operator new[](std::size_t size, const char* file, int line);

tip：new和new[]的区别我就不具体介绍了，太基础。

如果能让程序申请内存时调用重载的这个函数，就可以记录下内存申请的具体位置啦。

怎么能够让底层程序申请内存时调用重载的这个函数呢?这里可以对new使用宏定义：

 
 
 
 
  
  
  
  #define new new (__FILE__, __LINE__)

有了这个宏定义后，在new A的时候底层就会自动调用operator new(std::size_t size, const char* file, int line)函数，至此达到了我们记录内存申请位置的目的。

这里有两个问题：

在哪里记录内存申请的位置等信息呢?如果在operator new内部又申请了一块内存，用于记录位置，那新申请的这块内存需要记录不?这岂不是递归调用了?
只有在new宏定义包裹范围内申请了内存才会被记录，然而某些第三方库或者某些地方没有被new宏定义包裹，可能就无法被监测是否申请了内存吧?

下面逐个击破：

哪里存储具体信息?

我们肯定不能让它递归调用啊，那这些信息存储在哪里呢?这里可以在每次申请内存时，一次性申请一块稍微大点的内存，具体信息存储在多余的那块内存里，像这样：

 
 
 
 
  
  
  
  static void* alloc_mem(std::size_t size, const char* file, int line, bool is_array) { 
  
  
  
      assert(line >= 0); 
  
  
  
   
  
  
  
      std::size_t s = size + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE; 
  
  
  
      new_ptr_list_t* ptr = (new_ptr_list_t*)malloc(s); 
  
  
  
      if (ptr == nullptr) { 
  
  
  
          std::unique_lock lock(new_output_lock); 
  
  
  
          printf("Out of memory when allocating %lu bytes\n", (unsigned long)size); 
  
  
  
          abort(); 
  
  
  
      } 
  
  
  
      void* usr_ptr = (char*)ptr + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE; 
  
  
  
   
  
  
  
      if (line) { 
  
  
  
          strncpy(ptr->file, file, _DEBUG_NEW_FILENAME_LEN - 1)[_DEBUG_NEW_FILENAME_LEN - 1] = '\0'; 
  
  
  
      } else { 
  
  
  
          ptr->addr = (void*)file; 
  
  
  
      } 
  
  
  
   
  
  
  
      ptr->line = line; 
  
  
  
      ptr->is_array = is_array; 
  
  
  
      ptr->size = size; 
  
  
  
      ptr->magic = DEBUG_NEW_MAGIC; 
  
  
  
      { 
  
  
  
          std::unique_lock lock(new_ptr_lock); 
  
  
  
          ptr->prev = new_ptr_list.prev; 
  
  
  
          ptr->next = &new_ptr_list; 
  
  
  
          new_ptr_list.prev->next = ptr; 
  
  
  
          new_ptr_list.prev = ptr; 
  
  
  
      } 
  
  
  
      total_mem_alloc += size; 
  
  
  
      return usr_ptr; 
  
  
  
  }

new_ptr_list_t结构体定义如下：

 
 
 
 
  
  
  
  struct new_ptr_list_t { 
  
  
  
      new_ptr_list_t* next; 
  
  
  
      new_ptr_list_t* prev; 
  
  
  
      std::size_t size; 
  
  
  
      union { 
  
  
  
          char file[200]; 
  
  
  
   
  
  
  
          void* addr; 
  
  
  
      }; 
  
  
  
      unsigned line; 
  
  
  
  };

没有被new宏包裹的地方可以检测的到吗?

没有被new宏包裹的地方是会调用operator new(std::size_t sz)函数来申请内存的。这里operator new函数不只可以重载，还可以重新定义它的实现，而且不会报multi definition的错误哦。因为它是一个weak symbol，有关strong symbol和weak symbol的知识点可以看我之前的一篇文章：《谈谈程序链接及分段那些事》

既然可以重定义，那就可以这样：

 
 
 
 
  
  
  
  void* operator new(std::size_t size) {  
  
  
  
      return operator new(size, nullptr, 0);  
  
  
  
  }

这样有个缺点，就是不能记录内存申请的具体代码位置，只能记录下来是否申请过内存，不过这也挺好，怎么也比没有任何感知强的多。

其实这里不是没有办法，尽管没有了new宏，获取不到具体申请内存的代码位置，但是可以获取到调用栈信息，把调用栈信息存储起来，还是可以定位大体位置。关于如何获取调用栈信息，大家可以研究下libunwind库看看。

释放内存时怎么办?

这里需要重定义operator delete(void* ptr)函数：

 
 
 
 
  
  
  
  void operator delete(void* ptr) noexcept {  
  
  
  
      free_pointer(ptr, nullptr, false);  
  
  
  
  }

free_pointer函数的大体思路就是在链表中找到要对应节点，删除掉，具体定义如下：

 
 
 
 
  
  
  
  static void free_pointer(void* usr_ptr, void* addr, bool is_array) { 
  
  
  
      if (usr_ptr == nullptr) { 
  
  
  
          return; 
  
  
  
      } 
  
  
  
      new_ptr_list_t* ptr = (new_ptr_list_t*)((char*)usr_ptr - ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE); 
  
  
  
      { 
  
  
  
          std::unique_lock lock(new_ptr_lock); 
  
  
  
          total_mem_alloc -= ptr->size; 
  
  
  
          ptr->magic = 0; 
  
  
  
          ptr->prev->next = ptr->next; 
  
  
  
          ptr->next->prev = ptr->prev; 
  
  
  
      } 
  
  
  
      free(ptr); 
  
  
  
  }

如何检测是否有内存泄漏?

遍历链表即可，每次new时候会把这段内存插入链表，delete时候会把这段内存从链表中移出，如果程序最后链表长度不为0，即为有内存泄漏，代码如下：

 
 
 
 
  
  
  
  int checkLeaks() { 
  
  
  
      int leak_cnt = 0; 
  
  
  
      int whitelisted_leak_cnt = 0; 
  
  
  
      new_ptr_list_t* ptr = new_ptr_list.next; 
  
  
  
   
  
  
  
      while (ptr != &new_ptr_list) { 
  
  
  
          const char* const usr_ptr = (char*)ptr + ALIGNED_LIST_ITEM_SIZE; 
  
  
  
          printf("Leaked object at %p (size %lu, ", usr_ptr, (unsigned long)ptr->size); 
  
  
  
          if (ptr->line != 0) { 
  
  
  
              print_position(ptr->file, ptr->line); 
  
  
  
          } else { 
  
  
  
              print_position(ptr->addr, ptr->line); 
  
  
  
          } 
  
  
  
          printf(")\n"); 
  
  
  
          ptr = ptr->next; 
  
  
  
          ++leak_cnt; 
  
  
  
      } 
  
  
  
      return leak_cnt; 
  
  
  
  }

ps：关于可以重定义operator new这个操作，我也是最近看到别人代码后才发现，于是参考别人代码小撸了个代码检测工具，希望大家有所收获!

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