C++内存检测的研究

2014-07-04杨英豪孙永超

电子工业专用设备 2014年12期

柳青，杨英豪，孙永超

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

随着计算机在各个领域内的广泛应用，IT 行业得到突飞猛进的发展。但程序毕竟是由人的思想产生，所以总会存在一些隐患。内存泄漏就是一个常见的问题，其隐蔽性让人不易察觉；如何找到并解决内存泄漏成为程序设计中的关键。

1 程序的存放及组织方式

在计算机里程序通常以进程的方式运行，而任何的进程都需要开辟内存，内存就是存放数据的介质。程序员在编写程序时都会和内存打交道，常用的有数组、类等。数组和普通变量一样可以被声明为静态或动态的；静态数组在程序加载时定位于数据段；动态数组在程序运行时定位于堆栈之中。

1.1 进程在内存中的组织形式

一般进程由3 个部分组成：文本区域，数据区域和堆栈区域。如图1所示。

文本区域由程序本身自己确定，它包括代码和数据。这个区域通常是只读的，任何对它的写操作都会导致段错误。

数据区域包括初始化和未初始化的数据。bss段用来存放未初始化的数据，data 段用来存放以初始化的数据。从C 语言的角度来说数据区域主要用来存放静态变量。

图1 内存的组织形式

堆栈在高级语言中起到很大的作用，高级语言主要是面向过程和函数的，当一个过程调用完可以用简单的跳转指令；因函数之间可以嵌套调用，这样使得程序的逻辑很简单，但调用之后释放控制权就不能用简单的跳转指令，这时就必须使用堆栈了。

1.2 堆栈定义

堆栈是一种抽象的数据类型，堆栈的显著特性是后进先出（LIFO）。堆栈定义了两种操作进栈(PUSH)和出栈(POP)。进栈时操作是从堆栈顶部加入一个元素；出栈操作是从堆栈顶部减去一个元素。

堆栈既可以向下增长(向内存低地址)也可以向上增长，这依赖于具体的实现。此外有一个指针始终指向堆栈称为堆栈指针(SP)，它也是依赖于具体实现的；它可以指向堆栈的最后地址，或者指向堆栈之后的下一个空闲可用地址。在我们的讨论当中，SP 指向堆栈的最后地址。

除了堆栈指针(SP 指向堆栈顶部的低地址)之外，为了使用方便还有指向栈内固定地址的指针叫做帧指针(FP)，或者局部基指针(LB-local base pointer)。从理论上来说，局部变量可以用SP 加偏移量来引用。然而，当有字被压栈和出栈后，这些偏移量就变了。尽管在某些情况下编译器能够跟踪栈中的字操作，由此可以修正偏移量，但是在某些情况下是不能的；而且在所有情况下，要引入可观的管理开销。

因此，许多编译器使用第二个寄存器存放FP，对于局部变量和函数参数都可以引用，因为它们到FP 的距离不会受到压栈和出栈操作的影响。

2 内存泄漏

内存泄漏(memory leak)指由于疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并非指内存在物理上的消失，而是应用程序在分配某段内存后，由于设计错误，在程序使用完这段内存时，未能释放给操作系统，从而失去了对该段内存的控制，因此造成了内存的浪费。

内存泄漏的分类：

（1）常发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏。

（2）偶发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要。

（3）一次性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，总会导致且仅有一块内存发生泄漏。比如，在一个类的构造函数中分配内存，但在析构函数中却没有释放该内存。而该类只存在一个实例，所以内存泄漏只会发生一次。

（4）隐式内存泄漏。程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏。

在高级语言编程中，易造成内存泄漏的情况通常是动态分配的堆栈，即程序动态申请内存，使用完后，未释放给堆栈。下面是高级语言中几种动态深浅堆栈的函数。

（1）void *malloc(size_t size)

此函数在堆栈中动态分配一块size 大小的内存。

void free(void *memblock)

此函数与malloc 对应的函数，用来释放其分配的内存。

（2）new [placement]type-name [initializer]

此函数是用于在堆栈动态分配一块type-name 大小的内存，type-name 可以是类也可以是数组等类型。

delete [pointer]

此函数与new 是对应的函数，用来释放其分配的内存。

此外还有一些标准函数在使用不当时也会造成溢出。包括strcat()，strcpy()，sprintf()，vsprintf()。这些函数对一个NULL 结尾的字符串进行操作，并不检查溢出情况。gets()函数从标准输入中读取一行到缓冲区中，直到换行或EOF，它也不检查缓冲区溢出。scanf()函数族在匹配一系列非空格字符(%s)，或从指定集合(%[])中匹配非空字符时，使用字符指针指向数组，并且没有定义最大字段宽度这个可选项，就可能出现问题.如果这些函数的目标地址是一个固定大小的缓冲区，函数的另外参数是由用户以某种形式输入，则很有可能利用缓冲区溢出来破解它。