你踩过几种C++内存泄露的坑？

Posted 2021-11-05 C语言与CPP编程

在Modern C++之前，C++无疑是个更容易写出坑的语言，无论从开发效率，和易坑性，让很多新手望而却步。比如内存泄露问题，就是经常会被写出来的坑，本文就让我们一起来看看，这些让现在或者曾经的C++程序员泪流满面的内存泄露场景吧。你是否有踩过？

1. 函数内或者类成员内存未释放

这类问题可以称之为out of scope的时候，并没有释放相应对象的堆上内存。有时候最简单的场景，反而是最容易犯错的。这个我想主要是因为经常写，哪有不出错。

下面场景一看就知道了，当你在写XXX_Class * pObj = new XXX_Class();这一行的时候，脑子里面还在默念记得要释放pObj ，记得要释放pObj, 可能因为重要的事情要说三遍，而你只喊了两遍，最终还是忘记了写delete pObj; 这样去释放对象。

void MemoryLeakFunction()
{
  XXX_Class * pObj = new XXX_Class();
  pObj->DoSomething();
  return; 
}

下面这个场景，就是析构函数中并没有释放成员所指向的内存。这个我们就要注意了，一般当你构建一个类的时候，写析构函数一定要切记释放类成员关联的资源。

class MemoryLeakClass
{
public:
  MemoryLeakClass() 
  { 
    m_pObj = new XXX_ResourceClass;
  }
  void DoSomething()
  {
    m_pObj->DoSomething();
  }
  ~MemoryLeakClass()
  {
    ;
  }
private:
  XXX_ResourceClass* m_pObj;
};

上述这两种代码例子，是不是让一个C++工程师如履薄冰，完全看自己的大脑在不在状态。

在boost或者C++ 11后，通过智能指针去进行包裹这个原始指针，这是一种RAII的思想(可以参阅本文末尾的关联阅读)， 在out of scope的时候，释放自己所包裹的原始指针指向的资源。将上述例子用unique_ptr改写一下。

void MemoryLeakFunction()
{
  std::unique_ptr<XXX_Class> pObj = make_unique<XXX_Class>();
  pObj->DoSomething();
  return; 
}

2. delete []

大家知道C++中这样一个语句XXX_Class * pObj = new XXX_Class(); 中的new我们一般称其为C++关键字 (keyword), 就以这个语句为例做了两个操作:

1. 调用了operator new从堆上申请所需的空间

2. 调用XXX_Class的构造函数

那么当你调用delete pObj;的时候，道理同new，刚好相反:

1. 调用了XXX_Class的析构函数

2. 通过operator delete 释放了内存

一切似乎都没有什么问题，然后又一个坑来了。但如果申请的是一个数组呢，入下述例子:

class MemoryLeakClass
{
public:
  MemoryLeakClass() 
  { 
    m_pStr = new char[100];
  }
  void DoSomething()
{
    strcpy_s(m_pStr, 100, "Hello Memory Leak!");
    std::cout << m_pStr << std::endl;
  }
  ~MemoryLeakClass()
  {
    delete m_pStr;
  }
private:
  char *m_pStr;
};


void MemoryLeakFunction()
{
  const int iSize = 5;
  MemoryLeakClass* pArrayObjs = new MemoryLeakClass [iSize];
  for (int i = 0; i < iSize; i++)
  {
    (pArrayObjs+i)->DoSomething();
  }
  delete pArrayObjs;
}

上述例子通过MemoryLeakClass* pArrayObjs = new MemoryLeakClass [iSize];申请了一个MemoryLeakClass数组，那么调用不匹配的delete pArrayObjs;, 会产生内存泄露。先看看下图, 然后结合刚讲的delete的行为：

那么其实调用delete pArrayObjs;的时候，释放了整个pArrayObjs的内存，但是只调用了pArrayObjs[0]析构函数并释放中的m_pStr指向的内存。pArrayObjs 1~4并没有调用析构函数，从而导致其中的m_pStr指向的内存没有释放。所以我们要注意new和delete要匹配使用，当使用的new []申请的内存最好要用delete[]。

那么留一个问题给读者, 上面代码delete m_pStr;会导致同样的问题吗？

如果总是要让我们自己去保证，new和delete的配对，显然还是难以避免错误的发生的。这个时候也可以使用unique_ptr, 修改如下：

void MemoryLeakFunction()
{
  const int iSize = 5;
  std::unique_ptr<MemoryLeakClass[]> pArrayObjs = std::make_unique<MemoryLeakClass[]>(iSize);
  for (int i = 0; i < iSize; i++)
  {
    (pArrayObjs.get()+i)->DoSomething();
  }
}

3. delete (void*)

如果上一个章节已经有理解，那么对于这个例子，就很容易明白了。正因为C++的灵活性，有时候会将一个对象指针转换为void *，隐藏其类型。这种情况SDK比较常用，实际上返回的并不是SDK用的实际类型，而是一个没有类型的地址，当然有时候我们会为其亲切的取一个名字，比如叫做XXX_HANDLE。

那么继续用上述为例MemoryLeakClass， SDK假设提供了下面三个接口:

1. InitObj创建一个对象，并且返回一个PROGRAMER_HANDLE(即void *)，对应用程序屏蔽其实际类型

2. DoSomething 提供了一个功能去做一些事情，输入的参数，即为通过InitObj申请的对象

3. 应用程序使用完毕后，一般需要释放SDK申请的对象，提供了FreeObj

typedef void * PROGRAMER_HANDLE;


PROGRAMER_HANDLE InitObj()
{
  MemoryLeakClass* pObj = new MemoryLeakClass();
  return (PROGRAMER_HANDLE)pObj;
}


void DoSomething(PROGRAMER_HANDLE pHandle)
{
  ((MemoryLeakClass*)pHandle)->DoSomething();
}


void FreeObj(void *pObj)
{
  delete pObj;
}

看到这里，也许有读者已经发现问题所在了。上述代码在调用FreeObj的时候，delete看到的是一个void *, 只会释放对象所占用的内存，但是并不会调用对象的析构函数，那么对象内部的m_pStr所指向的内存并没有被释放，从而会导致内存泄露。修改也是自然比较简单的:

void FreeObj(void *pObj)
{
  delete ((MemoryLeakClass*)pObj);
}

那么一般来说，最好由相对资深的程序员去进行SDK的开发，无论从设计和实现上面，都尽量避免了各种让人泪流满满的坑。

4. Virtual destructor

现在大家来看看这个很容易犯错的场景, 一个很常用的多态场景。那么在调用delete pObj;会出现内存泄露吗？

class Father
{
public:
  virtual void DoSomething()
{
    std::cout << "Father DoSomething()" << std::endl;
  }
};


class Child : public Father
{
public:
  Child()
  {
    std::cout << "Child()" << std::endl;
    m_pStr = new char[100];
  }


  ~Child()
  {
    std::cout << "~Child()" << std::endl;
    delete[] m_pStr;
  }


  void DoSomething()
{
    std::cout << "Child DoSomething()" << std::endl;
  }
protected:
  char* m_pStr;
};


void MemoryLeakVirualDestructor()
{
  Father * pObj = new Child;
  pObj->DoSomething();
  delete pObj;
}

会的，因为Father没有设置Virtual 析构函数，那么在调用delete pObj;的时候会直接调用Father的析构函数，而不会调用Child的析构函数，这就导致了Child中的m_pStr所指向的内存，并没有被释放，从而导致了内存泄露。

并不是绝对，当有这种使用场景的时候，最好是设置基类的析构函数为虚析构函数。修改如下:

class Father
{
public:
  virtual void DoSomething()
{
    std::cout << "Father DoSomething()" << std::endl;
  }
  virtual ~Father() { ; }
};


class Child : public Father
{
public:
  Child()
  {
    std::cout << "Child()" << std::endl;
    m_pStr = new char[100];
  }


  virtual ~Child()
  {
    std::cout << "~Child()" << std::endl;
    delete[] m_pStr;
  }


  void DoSomething()
{
    std::cout << "Child DoSomething()" << std::endl;
  }
protected:
  char* m_pStr;
};

5. 对象循环引用

看下面例子，既然为了防止内存泄露，于是使用了智能指针shared_ptr；并且这个例子就是创建了一个双向链表，为了简单演示，只有两个节点作为演示，创建了链表后，对链表进行遍历。
那么这个例子会导致内存泄露吗?

struct Node
{
  Node(int iVal)
  {
    m_iVal = iVal;
  }
  ~Node()
  {
    std::cout << "~Node(): " << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }
  void PrintNode()
{
    std::cout << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }


  std::shared_ptr<Node> m_pPreNode;
  std::shared_ptr<Node> m_pNextNode;
  int m_iVal;
};


void MemoryLeakLoopReference()
{
  std::shared_ptr<Node> pFirstNode = std::make_shared<Node>(100);
  std::shared_ptr<Node> pSecondNode = std::make_shared<Node>(200);
  pFirstNode->m_pNextNode = pSecondNode;
  pSecondNode->m_pPreNode = pFirstNode;


  //Iterate nodes
  auto pNode = pFirstNode;
  while (pNode)
  {
    pNode->PrintNode();
    pNode = pNode->m_pNextNode;
  }
}

先来看看下图，是链表创建完成后的示意图。有点晕乎了，怎么一个双向链表画的这么复杂，黄色背景的均为智能指针或者智能指针的组成部分。其实根据双向链表的简单性和下图的复杂性，可以想到，智能指针的引入虽然提高了安全性，但是损失的是性能。所以往往安全性和性能是需要互相权衡的。 我们继续往下看，哪里内存泄露了呢？

如果函数退出，那么m_pFirstNode和m_pNextNode作为栈上局部变量，智能指针本身调用自己的析构函数，给引用的对象引用计数减去1(shared_ptr本质采用引用计数，当引用计数为0的时候，才会删除对象)。此时如下图所示，可以看到智能指针的引用计数仍然为1， 这也就导致了这两个节点的实际内存，并没有被释放掉， 从而导致内存泄露。

你可以在函数返回前手动调用pFirstNode->m_pNextNode.reset();强制让引用计数减去1， 打破这个循环引用。
还是之前那句话，如果通过手动去控制难免会出现遗漏的情况， C++提供了weak_ptr。

struct Node
{
  Node(int iVal)
  {
    m_iVal = iVal;
  }
  ~Node()
  {
    std::cout << "~Node(): " << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }
  void PrintNode()
{
    std::cout << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }


  std::shared_ptr<Node> m_pPreNode;
  std::weak_ptr<Node>    m_pNextNode;
  int m_iVal;
};


void MemoryLeakLoopRefference()
{
  std::shared_ptr<Node> pFirstNode = std::make_shared<Node>(100);
  std::shared_ptr<Node> pSecondNode = std::make_shared<Node>(200);
  pFirstNode->m_pNextNode = pSecondNode;
  pSecondNode->m_pPreNode = pFirstNode;


  //Iterate nodes
  auto pNode = pFirstNode;
  while (pNode)
  {
    pNode->PrintNode();    
    pNode = pNode->m_pNextNode.lock();
  }
}

看看使用了weak_ptr之后的链表结构如下图所示，weak_ptr只是对管理的对象做了一个弱引用，其并不会实际支配对象的释放与否，对象在引用计数为0的时候就进行了释放，而无需关心weak_ptr的weak计数。注意shared_ptr本身也会对weak计数加1.
那么在函数退出后，当pSecondNode调用析构函数的时候，对象的引用计数减一，引用计数为0，释放第二个Node，在释放第二个Node的过程中又调用了m_pPreNode的析构函数，第一个Node对象的引用计数减1，再加上pFirstNode析构函数对第一个Node对象的引用计数也减去1，那么第一个Node对象的引用计数也为0，第一个Node对象也进行了释放。

如果将上述代码改为双向循环链表，去除那个循环遍历Node的代码，那么最后Node的内存会被释放吗？这个问题留给读者。

6. 资源泄露

如果说些作文的话，这一章节，可能有点偏题了。本章要讲的是广义上的资源泄露，比如句柄或者fd泄露。这些也算是内存泄露的一点点扩展，写作文的一点点延伸吧。
看看下述例子, 其在操作完文件后，忘记调用CloseHandle(hFile);了，从而导致内存泄露。

void MemroyLeakFileHandle()
{
  HANDLE hFile = CreateFile(LR"(C:\\test\\doc.txt)", 
    GENERIC_READ,
    FILE_SHARE_READ,
    NULL, 
    OPEN_EXISTING, 
    FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
    NULL);


  if (INVALID_HANDLE_VALUE == hFile)
  {
    std::cerr << "Open File error!" << std::endl;
    return;
  }


  const int BUFFER_SIZE = 100;
  char pDataBuffer[BUFFER_SIZE];
  DWORD dwBufferSize;
  if (ReadFile(hFile,
      pDataBuffer,
      BUFFER_SIZE,
      &dwBufferSize,
      NULL))
  {
    std::cout << dwBufferSize << std::endl;
  }
}

上述你可以用RAII机制去封装hFile从而让其在函数退出后，直接调用CloseHandle(hFile);。C++智能指针提供了自定义deleter的功能，这就可以让我们使用这个deleter的功能，改写代码如下。不过本人更倾向于使用类似于golang defer的实现方式。

void MemroyLeakFileHandle()
{
  HANDLE hFile = CreateFile(LR"(C:\\test\\doc.txt)", 
    GENERIC_READ,
    FILE_SHARE_READ,
    NULL, 
    OPEN_EXISTING, 
    FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
    NULL);
  std::unique_ptr< HANDLE, std::function<void(HANDLE*)>> phFile(
    &hFile, 
    [](HANDLE* pHandle) {
      if (nullptr != pHandle)
      {
        std::cout << "Close Handle" << std::endl;
        CloseHandle(*pHandle);
      }
    });


  if (INVALID_HANDLE_VALUE == *phFile)
  {
    std::cerr << "Open File error!" << std::endl;
    return;
  }


  const int BUFFER_SIZE = 100;
  char pDataBuffer[BUFFER_SIZE];
  DWORD dwBufferSize;
  if (ReadFile(*phFile,
      pDataBuffer,
      BUFFER_SIZE,
      &dwBufferSize,
      NULL))
  {
    std::cout << dwBufferSize << std::endl;
  }
}