深入解析：C++ 内存泄漏检测器设计

文章目录

• 1. C++中的动态内存分配
• 2. 什么是内存泄漏
• 3. 内存泄漏的代码案例
• 4. 内存泄漏检查器的设计
• • 模块1：位置信息捕获：
  • 模块2：内存分配跟踪：
  • 模块3：内存释放跟踪：
  • 模块4：泄漏记录存储：
  • 模块5：报告生成：
• 5. 测试案例

---

---

1. C++中的动态内存分配

动态内存分配不同于固定大小的静态数组，通过 new 和 delete让我们可以根据需要随时申请和释放内存。

先来看段代码：

#
include <iostream>usingnamespace std;int main() {// 动态分配单个整型变量int* pInt =newint;*pInt = 20;cout <<"动态分配的整数数值为: " <<*pInt << endl;// 释放内存delete pInt;// 动态分配数组int arraySize;cout <<"请指定数组的大小: ";cin >> arraySize;int* dynamicArray =newint[arraySize];for (int i = 0; i < arraySize; i++) {dynamicArray[i] = i * 3;}cout <<"数组中的元素为: ";for (int i = 0; i < arraySize; i++) {cout << dynamicArray[i] <<" ";}cout << endl;// 释放数组内存delete[] dynamicArray;return 0;}

上面的代码，做了如下事情：

动态分配单个整型变量：

1. 内存分配：new int在堆上分配 int 类型的内存。
2. 指针操作：通过*pInt解引用赋值和读取。
3. 内存释放：使用delete释放单个对象内存。

动态分配数组：

1. 内存分配：new int[arraySize]分配连续内存块。
2. 指针类型：dynamicArray指向数组首元素（类型为int*）。
3. 数组释放：使用delete[]释放数组内存。

注意事项：无论是单个变量还是数组，动态分配的内存都需要通过 delete 或 delete[] 进行释放。

2. 什么是内存泄漏

内存泄漏是指程序在运行过程中申请了内存空间却未及时释放，导致随着程序运行时间增长，占用的内存持续累积，最终可能耗尽系统可用资源。在 C++ 编程中，避免内存泄漏需牢记以下要点：

1. 内存释放的配对原则：
   每次通过 new 分配的单个内存对象，必须使用 delete 进行释放；对于通过 new[] 动态分配的数组内存，则需用 delete[] 释放。
2. 系统不会自动回收动态内存：
   与栈内存不同，堆内存的释放完全依赖开发者手动操作。若忘记释放已申请的动态内存，系统无法自动清理这些 “闲置” 内存，它们会一直驻留在内存中，形成内存泄漏。所以在动态内存使用完毕后，应立即执行释放操作。

3. 内存泄漏的代码案例

1. 基础堆内存未释放（Basic Heap Leak）：

new分配的内存未通过delete释放。

int* p =
new
int
;
// 未释放

2. 数组未正确释放（Array Deallocation Mismatch）：

new[]分配的数组必须用delete[]释放。若使用delete而非delete[]，仅释放首元素内存，其余元素内存泄漏。

int* arr =
new
int[10]
;
// delete arr; // 错误写法
// 正确应使用 delete[] arr;

3. 异常路径未释放（Exception Safety Issue）

异常抛出后，delete语句被跳过，内存未释放。

int* data =
new
int
;
throw std::runtime_error("Oops!"
)
;
// 异常导致delete跳过
delete data;
// 永远不会执行

4. 类成员未释放（Class Member Leak）

动态分配的成员变量buf未在析构函数中释放。当对象销毁时，buf指向的内存仍被占用。

class LeakyClass {
public:
LeakyClass(
) : buf(
new
char[1024]
) {
}
~LeakyClass(
) {
} // 析构函数未释放buf
private:
char* buf;
}
;

5. 容器指针未清理（Container of Pointers）

vector存储的是原始指针，容器销毁时不会自动释放指针指向的内存。

std::vector<
int*> vec;
for (
int i = 0
; i <
5
;
++i) {
vec.push_back(
new
int(i)
)
;
// 未释放元素
}

4. 内存泄漏检查器的设计

原理：通过重载 new/new[] 和 delete/delete[] 运算符，在内存分配/释放时插入跟踪逻辑，在内存分配时：记录内存地址、大小、分配位置（FILE 和 LINE），在内存释放时：从跟踪表中移除记录。

模块1：位置信息捕获：

通过预处理器宏替换，在每次内存分配时自动捕获源代码位置信息：文件名和行号。

关键技术点：

1. 利用__FILE__和__LINE__预定义宏获取当前位置。
2. 通过宏替换将普通new操作转换为带位置信息的版本。
3. 避免在实现文件中应用宏替换：防止递归定义。

// mem_leak_detector.hpp
#
ifndef MEM_LEAK_DETECTOR_IMPLEMENTATION
// 关键替换：所有new操作被转换为带位置信息的版本
#
define new new(__FILE__
, __LINE__
)
#
endif
// 位置感知的内存分配运算符声明
void*
operator
new(size_t size,
const
char* file,
int line)
;
void*
operator
new[](size_t size,
const
char* file,
int line)
;

模块2：内存分配跟踪：

重载全局内存分配函数，在分配时记录内存信息。

关键技术点：

1. 重载operator new和operator new[]捕获分配请求。
2. 使用malloc进行实际内存分配。
3. 分配成功后记录指针、大小和位置信息。
4. 处理分配失败情况返回nullptr。

// mem_leak_detector.cpp
// 重载的全局new运算符
void*
operator
new(size_t size,
const
char* file,
int line) {
void* p = malloc(size)
;
// 实际内存分配
if (p) {
// 记录分配信息：指针、大小、文件名、行号
MemLeakDetector::track(p, size, file, line)
;
}
return p;
}
// 数组版本转发给普通new
void*
operator
new[](size_t size,
const
char* file,
int line) {
return
operator
new(size, file, line)
;
}
// 跟踪函数实现
void MemLeakDetector::track(
void* p, size_t size,
const
char* file,
int line) {
char* file_copy = strdup(file)
;
// 复制文件名（确保长期有效）
allocations[p] = MemAllocRecord{
p, size, file_copy, line
}
;
}

模块3：内存释放跟踪：

重载全局内存释放函数，在释放时移除跟踪记录。

关键技术点：

1. 重载operator delete和operator delete[]。
2. 释放前从跟踪表中移除记录。
3. 使用free进行实际内存释放。

// mem_leak_detector.cpp
// 重载的全局delete运算符
void
operator
delete(
void* p)
noexcept {
MemLeakDetector::untrack(p)
;
// 从跟踪表中移除
free(p)
;
// 实际内存释放
}
// 数组版本转发给普通delete
void
operator
delete[](
void* p)
noexcept {
operator
delete(p)
;
}
// 停止跟踪函数实现
void MemLeakDetector::untrack(
void* p) {
auto it = allocations.find(p)
;
if (it != allocations.end(
)
) {
free((
void*
)it->second.file)
;
// 释放复制的文件名
allocations.erase(it)
;
// 从映射表移除
}
}

模块4：泄漏记录存储：

使用全局数据结构存储所有未释放的内存分配记录。

关键技术点：

1. 静态std::map存储分配记录—键：内存地址，值：分配信息。
2. 使用strdup复制文件名，确保长期有效性。
3. 在释放时清理复制的文件名。

// mem_leak_detector.hpp
// 内存分配记录结构
struct MemAllocRecord {
void* ptr;
// 内存地址
size_t size;
// 分配大小
const
char* file;
// 分配位置文件名
int line;
// 分配位置行号
}
;
// 静态存储定义
class MemLeakDetector {
private:
static std::map<
void*
, MemAllocRecord> allocations;
// 未释放内存记录表
// ...
}
;

模块5：报告生成：

程序退出时分析未释放记录，生成详细泄漏报告。

关键技术点：

1. 通过atexit注册报告函数。
2. 遍历所有未释放记录。
3. 计算总泄漏字节数。
4. 分类显示泄漏位置信息。
5. 区分"无泄漏"和"有泄漏"情况。

// mem_leak_detector.cpp
// 生成泄漏报告：程序退出时自动调用
void MemLeakDetector::report(
) {
if (allocations.empty(
)
) {
std::cout <<
"\n[SUCCESS] No memory leaks detected\n"
;
}
else {
std::cout <<
"\n[MEMORY LEAKS] " << allocations.size(
)
<<
" leaks found:\n"
;
size_t total = 0
;
// 遍历所有未释放的记录
for (
const
auto& entry : allocations) {
const MemAllocRecord& record = entry.second;
std::cout <<
" Leak at " << record.ptr
<<
" (" << record.size <<
" bytes)"
<<
" allocated in " << record.file
<<
":" << record.line <<
"\n"
;
total += record.size;
// 累计泄漏字节数
}
std::cout <<
"Total leaked: " << total <<
" bytes\n"
;
}
}
// 初始化宏注册报告函数
#
define MEM_LEAK_DETECTOR_INIT(
) \
std::atexit(MemLeakDetector::report)

5. 测试案例

测试案例放在main.cpp文件中，内存泄漏检测文件由mem_leak_detector.cpp和mem_leak_detector.hpp组成，我使用的lab环境为 Ubuntu 系统。

执行以下命令看到结果：

g++ -std=c++11 -g mem_leak_detector.cpp main.cpp -o memtest
./memtest

main.cpp

#
include <vector>#include <stdexcept>#include "mem_leak_detector.hpp" // 引入内存泄漏检测器头文件// 基础内存泄漏示例：分配单个int未释放void basic_leak() {int* p =newint;// 分配内存 (通过重载的new记录位置)}// 数组内存泄漏示例：分配int数组未释放void array_leak() {int* arr =newint[10];// 分配数组 (通过重载的new[]记录)}// 异常导致的内存泄漏：分配后抛出异常跳过deletevoid exception_leak() {int* data =newint;throw std::runtime_error("Oops!");// 抛出异常delete data;// 此句不会执行}// 类内泄漏示例：析构函数未释放成员指针class LeakyClass {public:LeakyClass() : buf(newchar[1024]) {} // 分配内存~LeakyClass() {} // 析构函数未释放buf → 泄漏private:char* buf;};// 容器内存泄漏示例：vector存储指针未释放void container_leak() {std::vector<int*> vec;for (int i = 0; i <5;++i) {vec.push_back(newint(i));// 5次分配} // vector销毁时不会自动释放指针 → 5处泄漏}int main() {MEM_LEAK_DETECTOR_INIT();// 注册退出时报告泄漏basic_leak();// 产生1处泄漏array_leak();// 产生1处泄漏 (数组)try {exception_leak();// 抛出异常导致1处泄漏}catch (...) {} // 捕获异常但不处理泄漏LeakyClass* cls =new LeakyClass();// 类内泄漏 + 对象本身泄漏 → 共2处container_leak();// 产生5处泄漏// 注意：未释放cls指针 → 额外泄漏LeakyClass对象return 0;} // 程序退出时自动调用report()

mem_leak_detector.hpp

#
pragma once
#
ifndef MEM_LEAK_DETECTOR_HPP
#
define MEM_LEAK_DETECTOR_HPP
#
include <map>#include <string>#include <iostream>#include <cstdlib>// 内存分配记录结构体struct MemAllocRecord {void* ptr;// 分配的内存地址size_t size;// 分配的字节数constchar* file;// 分配发生的源文件名int line;// 分配发生的代码行号};class MemLeakDetector {public:// 跟踪内存分配（由重载的new调用）staticvoid track(void* p, size_t size,constchar* file,int line);// 停止跟踪内存（由重载的delete调用）staticvoid untrack(void* p);// 生成泄漏报告（程序退出时调用）staticvoid report();private:static std::map<void*, MemAllocRecord> allocations;// 未释放内存记录表};// 声明带位置信息的全局运算符重载void*operatornew(size_t size,constchar* file,int line);void*operatornew[](size_t size,constchar* file,int line);voidoperatordelete(void* p)noexcept;voidoperatordelete[](void* p)noexcept;// 初始化宏：注册报告函数到atexit#define MEM_LEAK_DETECTOR_INIT() \std::atexit(MemLeakDetector::report)// 在非实现文件中重定义new宏（捕获分配位置）#ifndef MEM_LEAK_DETECTOR_IMPLEMENTATION#define new new(__FILE__, __LINE__) // 替换所有new为带位置信息的版本#endif#endif

mem_leak_detector.cpp

#
define MEM_LEAK_DETECTOR_IMPLEMENTATION // 启用实现模式
#
include "mem_leak_detector.hpp"
#
include <cstring>#include <cstdlib>#include <iostream>// 静态成员初始化：存储所有未释放的内存记录std::map<void*, MemAllocRecord> MemLeakDetector::allocations;// 跟踪内存分配：记录指针、大小、文件名和行号void MemLeakDetector::track(void* p, size_t size,constchar* file,int line) {char* file_copy = strdup(file);// 复制文件名字符串allocations[p] = MemAllocRecord{p, size, file_copy, line};// 存入映射表}// 停止跟踪：内存释放时从映射表移除记录void MemLeakDetector::untrack(void* p) {auto it = allocations.find(p);if (it != allocations.end()) {free((void*)it->second.file);// 释放复制的文件名内存allocations.erase(it);// 移除记录}}// 生成泄漏报告：程序退出时自动调用void MemLeakDetector::report() {if (allocations.empty()) {std::cout <<"\n[SUCCESS] No memory leaks detected\n";}else {std::cout <<"\n[MEMORY LEAKS] " << allocations.size()<<" leaks found:\n";size_t total = 0;// 遍历所有未释放的记录for (constauto& entry : allocations) {const MemAllocRecord& record = entry.second;std::cout <<" Leak at " << record.ptr<<" (" << record.size <<" bytes)"<<" allocated in " << record.file<<":" << record.line <<"\n";total += record.size;// 累计泄漏字节数}std::cout <<"Total leaked: " << total <<" bytes\n";}}// 重载全局new运算符：捕获分配位置信息void*operatornew(size_t size,constchar* file,int line) {void* p = malloc(size);// 实际内存分配if (p) {// 记录分配信息：指针、大小、文件名、行号MemLeakDetector::track(p, size, file, line);}return p;}// 重载全局new[]运算符：转发给带位置信息的newvoid*operatornew[](size_t size,constchar* file,int line) {returnoperatornew(size, file, line);}// 重载全局delete运算符：释放内存并停止跟踪voidoperatordelete(void* p)noexcept {MemLeakDetector::untrack(p);// 从跟踪表中移除free(p);// 实际释放内存}// 重载全局delete[]运算符：转发给deletevoidoperatordelete[](void* p)noexcept {operatordelete(p);}

---