c++開發(fā)如何避免和解決野指針和內(nèi)存泄漏問題

內(nèi)存泄漏檢測工具(LeakDiag)V1.25 正式版

• 類型：編程輔助大�。�1.5M語言：英文 評分：5.0
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盡管C++ 野指針和內(nèi)存泄漏一直被詬病，但是在實(shí)時性很強(qiáng)的應(yīng)用場合，c++ 仍然是不二之選。游戲服務(wù)器開發(fā)仍然使用c++ 作為主語言，但是大多結(jié)合動態(tài)腳本技術(shù)，一方面規(guī)避了野指針和內(nèi)存泄露，一方面獲得了開發(fā)效率和擴(kuò)展性的紅利。今天主要說說在使用c++過程中，如何避免和解決野指針和內(nèi)存泄漏問題。

野指針：
野指針的出現(xiàn)會導(dǎo)致程序崩潰，這是每個人都不愿意看到的。Linux會生成coredump文件，可用gdb分析。Win下可以注冊unexception獲取調(diào)用堆棧，將錯誤信息寫到文件中。先分析一下通常出現(xiàn)野指針的場景：

class monster_t
{
protected:
    player_t* m_attack;

public:
    void handle_ai()
    {
        if (m_attack)
        {
            int x = m_attack->get_x();
        }
    }
}

問題就在于，m_attack有值，但是對應(yīng)的對象已經(jīng)被銷毀了。這是大部分野指針出現(xiàn)原因。分析類之間關(guān)系可知，monster_t 和 player_t是0-1的關(guān)系，monster_t引用player_t，但是player_t甚至都不知道有一個（或N個）monster 引用了自己。所以當(dāng)player被銷毀時，很難做到把所有引用該player_t的地方全部重置。這種問題其實(shí)比較常見，比如player中引用connection，而connection又是被網(wǎng)絡(luò)層管理生命周期的，也同樣容易產(chǎn)生野指針情況。常見的解決方式是：

class monster_t
{
protected:
    long m_attack_id;

public:
    void handle_ai()
    {
        player_t* attack = obj_mgr.get(m_attack_id);
        if (attack)
        {
            int x = attack->get_x();
        }
    }
}

另外一種與之相似的方式：

class monster_t
{
protected:
    player_t* m_attack;

public:
    void handle_ai()
    {
        if (obj_mgr.is_exist(m_attack))
        {
            int x = m_attack->get_x();
        }
        else
        {
            m_attack = NULL;
        }
    }
}

梳理野指針的產(chǎn)生原因后，我們其實(shí)需要的是這樣的指針：

一種指針，引用了另一個對象的地址（不然就不是指針了），當(dāng)目標(biāo)對象銷毀時，該指針自然指向null，而不需要目標(biāo)對象主動通知重置。

幸運(yùn)的是，這種指針已經(jīng)有了，就是weak_ptr; 在boost庫中，sharedptr,scopedptr,weakptr統(tǒng)稱為smartptr�？梢员M量使用智能指針，避免野指針。本人建議盡量使用shared_ptr結(jié)合weak_ptr使用。Scoped_ptr本人使用的較少，只是在創(chuàng)建線程對象的時候使用，正好符合不能復(fù)制的語義。使用shared_ptr和weak_ptr的示例代碼：

class monster_t
{
protected:
    weak_ptr<player_t> m_attack;
    shared_ptr<player_t> get_attack()
    {
        return shared_ptr<player_t>(m_attack);
    }
public:
    void handle_ai()
    {
        shared_ptr<player_t> attack = get_attack();
        if (attack)
        {
            int x = attack->get_x();
        }
    }
}

有人問monster_t為什么不直接使用shared_ptr，如果使用shared_ptr就不符合現(xiàn)實(shí)的模型了，monster_t顯然不應(yīng)該控制player_t的生命周期，如果使用了shared_ptr，那么可能導(dǎo)致player_t被延遲析構(gòu)，甚至?xí)��?dǎo)致內(nèi)存暴漲。這也是shared_ptr的使用誤區(qū)，所以本人建議盡量shared_ptr和weak_ptr結(jié)合用，否則野指針問題解決了，內(nèi)存泄漏問題又來了。

內(nèi)存泄漏：

野指針問題可以通過采用良好的編程范式，盡量規(guī)避，但總計c++規(guī)避內(nèi)存泄漏的方法卻很為難，簡單而言盡量保證對象的分配和釋放（分別）是單個入口的，這樣大部分問題都可以攔截在code review階段。那么怎么檢測內(nèi)存泄漏呢？

首先說明本方法區(qū)別于valgrind等工具，該工具是調(diào)試期進(jìn)行的檢測，本文探究的是運(yùn)行期的檢測，確切說是運(yùn)行期定時輸出所有對象的數(shù)量到日志中。

首先定義分配、釋放對象的接口：

template<typename T>
T* new_obj()
{
    T* p = new T();
    singleton_t<obj_counter_t<T> >::instance().inc(1);
    return p;
}

template<typename T, typename ARG1>
T* new_obj(ARG1 arg1)
{
    T* p = new T(arg1);
    singleton_t<obj_counter_t<T> >::instance().inc(1);
    return p;
}

template<typename T, typename ARG1, typename ARG2>
T* new_obj(ARG1 arg1, ARG2 arg2)
{
    T* p = new T(arg1, arg2);
    singleton_t<obj_counter_t<T> >::instance().inc(1);
    return p;
}
template<typename T>
T* new_array(int n)
{
    T* p = new T[n];
    singleton_t<obj_counter_t<T> >::instance().inc(n);
    return p;
}

為了節(jié)省篇幅，這里只列舉了三種構(gòu)造的代碼，當(dāng)分配對象時，對應(yīng)的類型數(shù)量增加1，obj_counter 使用原子操作為每一種類型記錄其數(shù)量。

class obj_counter_i
{
public:
    obj_counter_i():m_ref_count(0){}
    virtual ~ obj_counter_i(){}
    void inc(int n) { (void)__sync_add_and_fetch(&m_ref_count, n); }
    void dec(int n) { __sync_sub_and_fetch(&m_ref_count, n);        }
    long val() const{ return m_ref_count;                            }

    virtual string get_name() { return ""; }
protected:
    volatile long m_ref_count;
};
template<typename T>
class obj_counter_t: public obj_counter_i
{
    obj_counter_t()
    {
        singleton_t<obj_counter_t<T> >::instance().reg(this);
    }
    virtual string get_name() { return TYPE_NAME(T); }
};

相應(yīng)的當(dāng)對象被釋放的時候，對應(yīng)的對象數(shù)量減一，示例代碼如下：

template<typename T>
void del_obj(T* p)
{
    if (p)
    {
        delete p;
        singleton_t<obj_counter_t<T> >::instance().dec(1);
    }
}

這樣就做到了所有的對象的數(shù)量都被記錄了，可以定時的將對象數(shù)量輸出到文件：

class obj_counter_summary_t
{
public:
    void reg(obj_counter_i* p)
    {
        m_all_counter.push_back(p);
    }

    map<string, long> get_all_obj_num()
    {
        map<string, long> ret;
        for (list<obj_counter_i*>::iterator it = m_all_counter.begin(); it != m_all_counter.end(); ++it)
        {
            ret.insert(make_pair((*it)->get_name(), (*it)->val()));
        }
        return ret;
    }

    void dump(const string& path_)
    {
        ofstream tmp_fstream;
        tmp_fstream.open(path_.c_str());
        map<string, long> ret = get_all_obj_num();
        map<string, long>::iterator it = ret.begin();

        time_t timep   = time(NULL);
        struct tm *tmp = localtime(&timep);

        char tmp_buff[256];
        sprintf(tmp_buff, "%04d%02d%02d-%02d:%02d:%02d",
                tmp->tm_year + 1900, tmp->tm_mon + 1, tmp->tm_mday,
                tmp->tm_hour, tmp->tm_min, tmp->tm_sec);
        char buff[1024] = {0};

        snprintf(buff, sizeof(buff), "obj,num,%s\n", tmp_buff);
        tmp_fstream << buff;

        for (; it != ret.end(); ++it)
        {
            snprintf(buff, sizeof(buff), "%s,%ld\n", it->first.c_str(), it->second);
            tmp_fstream << buff;
        }

        tmp_fstream.flush();
    }
protected:
    list<obj_counter_i*>    m_all_counter;
};

輸出的文件格式為csv格式，方便進(jìn)一步做數(shù)據(jù)分析�？梢允褂梦议_發(fā)的小工具格式化csv數(shù)據(jù)。

總結(jié)：

野指針可以使用shared_ptr和weak_ptr結(jié)合使用來盡量規(guī)避。

使用shared_ptr要盡量小心，否則可能導(dǎo)致對象無法釋放，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

可以定時輸出當(dāng)前所有對象的數(shù)量，來分析是否有內(nèi)存泄漏，或者內(nèi)存泄漏是有哪些對象引起的。

本文介紹了記錄所有對象的方法，除了可以分析內(nèi)存泄漏外，也不失為數(shù)據(jù)分析的一種方法。需要注明的是，本方法不能替代valgrind工具，二者作用不同。