在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟件工程師在動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理中會(huì)遇到內(nèi)存丟失的問(wèn)題，本刊1月A期介紹了討論了跟蹤內(nèi)存丟失面臨的困難以及一種將堆棧中的內(nèi)存碎片降至最少的解決方案，本期將討論怎樣才能找到導(dǎo)致內(nèi)存丟失的代碼段，從而提高(中國(guó))工程師檢測(cè)內(nèi)存丟失的能力。

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要利用數(shù)組保存內(nèi)存分配的每一個(gè)塊記錄，在內(nèi)存塊釋放的同時(shí)，也將該記錄從數(shù)組中刪除。在主循環(huán)的每次迭代之后，分配的內(nèi)存塊的總數(shù)目將打印出來(lái)。理想情況下，要按類(lèi)型對(duì)這些內(nèi)存塊排序，但指向malloc()和free()的調(diào)用則不包含任何類(lèi)型信息。內(nèi)存分配的大小是最好的標(biāo)識(shí)，因此成為設(shè)計(jì)工程師需要記錄的信息。此外，還需要存儲(chǔ)分配的內(nèi)存塊地址信息，這樣，當(dāng)調(diào)用釋放函數(shù)時(shí)，就可以方便地定位或刪除塊記錄。

在添加和刪除塊記錄時(shí)，還需要跟蹤每種大小的內(nèi)存塊數(shù)目，程序的列表1

給出了實(shí)現(xiàn)上述功能的代碼。

隨著內(nèi)存塊的分配和釋放，數(shù)組：

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typedef struct

{

void * address;

size_t size;

} BlockEntry;

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跟蹤當(dāng)前存在的所有內(nèi)存塊。另一數(shù)組則跟蹤當(dāng)前存在的每種大小的內(nèi)存塊總數(shù)：

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typedef struct

{

int count;

size_t size;

} Counter;

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函數(shù)mDisplayTable()允許我們?cè)诿看沃餮h(huán)結(jié)束時(shí)輸出結(jié)果。如果printf()不可用，則可利用調(diào)試器中斷系統(tǒng)并檢驗(yàn)數(shù)組的內(nèi)容。

上述代碼還必須使NUM_SIZES 和 NUM_BLOCKS足夠大，以處理系統(tǒng)中的大量?jī)?nèi)存分配；但也不能太大，從而導(dǎo)致在系統(tǒng)運(yùn)行之前就已耗盡所有的RAM。

輸出

快速地瀏覽代碼，可以注意到結(jié)構(gòu)類(lèi)型Sensor的長(zhǎng)度定義如下：

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typedef struct

{

int offset;

int gain;

char name[10];

} Sensor;

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假定int為32位數(shù)據(jù)，那么Sensor的長(zhǎng)度將為18(4+4+10)，但在測(cè)試中，結(jié)果表明為20。編譯器可以在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)成員之間自由地添加填充，以將對(duì)齊強(qiáng)制設(shè)定為一個(gè)字邊界。特殊情況下，每個(gè)字段開(kāi)始于一個(gè)已存在的字邊界，那么為什么還需要填充呢？填充添加在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的最末端，如果聲明了一個(gè)數(shù)組Sensor，那么該數(shù)組的所有成員(而不僅僅是第一個(gè)成員)將會(huì)進(jìn)行字對(duì)齊。根據(jù)處理器的不同，字對(duì)齊的速度將有所差異，有時(shí)這些編譯器將提供可根據(jù)速度選擇字對(duì)齊長(zhǎng)度的切換開(kāi)關(guān)。在任何情形下，最好不要根據(jù)源代碼的定義對(duì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度作任何假設(shè)。

下面考察當(dāng)使用這些函數(shù)時(shí)，將得到何種類(lèi)型的輸出。程序清單2給出了一個(gè)顯示存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)內(nèi)存方式的示例。程序清單2將通常作為主外部循環(huán)的迭代了10次，并在每次迭代的末尾，調(diào)用函數(shù)mDisplay-Table()輸出分配的內(nèi)存塊情況。

許多內(nèi)存塊均在初始化階段進(jìn)行分配，但我們對(duì)這些內(nèi)存塊并不感興趣，因?yàn)檫@段代碼將不會(huì)重復(fù)，因此不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存丟失。由于我們并不希望這些內(nèi)存分配導(dǎo)致分配表混亂，因此在啟動(dòng)感興趣的迭代之前需要將該分配表清空。為了清空分配表，需要調(diào)用函數(shù)mClearTable。

主循環(huán)調(diào)用的三個(gè)不同的函數(shù)

函數(shù)replacer()：指示了一個(gè)用來(lái)分配內(nèi)存塊并且直到出現(xiàn)循環(huán)迭代才釋放的指針。如果檢驗(yàn)主循環(huán)中的迭代，可以發(fā)現(xiàn)分配的內(nèi)存塊并未釋放。通過(guò)監(jiān)控總數(shù)為20的內(nèi)存塊，從表1可以看出，每次迭代之后的內(nèi)存塊總數(shù)都為1，因此沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)存丟失。

函數(shù)growAndShrink()：管理長(zhǎng)度為24個(gè)結(jié)構(gòu)體的鏈表，該鏈表的長(zhǎng)度將隨時(shí)間發(fā)生變化，但我們并不希望鏈表無(wú)限增長(zhǎng)。通過(guò)檢驗(yàn)總數(shù)為24的內(nèi)存塊，我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然任意時(shí)間內(nèi)存塊的數(shù)目都可能發(fā)生變化，但決不會(huì)超過(guò)25個(gè)。

函數(shù)growForever()：處理內(nèi)存塊長(zhǎng)度為44的情形。這里我們可以非常清晰地看到，分配的內(nèi)存塊數(shù)目在持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)首次觀察該表時(shí)，可能無(wú)法找到表的源頭。我們首先只能快速而粗略對(duì)mMalloc()上的條件斷點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，該斷點(diǎn)只有當(dāng)長(zhǎng)度參數(shù)達(dá)到44時(shí)才觸發(fā)。當(dāng)?shù)竭_(dá)該斷點(diǎn)時(shí)，可以檢驗(yàn)堆棧，以確定進(jìn)行內(nèi)存分配的地方。工程師完全能夠多次執(zhí)行這樣的操作，因?yàn)檫@種長(zhǎng)度的內(nèi)存塊可在多處進(jìn)行分配。

嚴(yán)格地說(shuō)，在函數(shù)growForever()中分配的內(nèi)存不是丟失，因?yàn)樗蟹峙涞膬?nèi)存塊均帶有引用，因此理論上可以在后來(lái)釋放。如果特定應(yīng)用這樣做，那么結(jié)果就非常明顯。
長(zhǎng)度是關(guān)鍵因素

當(dāng)不同類(lèi)型的對(duì)象共享相同長(zhǎng)度的內(nèi)存時(shí)，上述技術(shù)就不那么有效了。實(shí)際中碰到這樣的情形并不多，但即便可能引發(fā)問(wèn)題，仍然還有很多別的選擇。

更為先進(jìn)的方法則是為每個(gè)記錄存儲(chǔ)類(lèi)型信息。這并不困難，但我卻不愿采用這種方法，因?yàn)樵摲椒ㄒ鬄楹瘮?shù)mMalloc()的標(biāo)記添加一些新東西。我們可以定義一個(gè)列出所有可能分配的類(lèi)型的枚舉類(lèi)型。在每次調(diào)用函數(shù)mMalloc()時(shí)，將傳遞一個(gè)附加的參數(shù)，并且該參數(shù)為枚舉類(lèi)型中的一個(gè)元素。如果在表中該參數(shù)連同地址一起被存儲(chǔ)，那么總能識(shí)別出這類(lèi)對(duì)象。
這也使得我們可以將分配長(zhǎng)度不同，但類(lèi)型相關(guān)(如可變長(zhǎng)度的字符數(shù)組)的內(nèi)存塊鏈接起來(lái)。

C++通過(guò)使我們重載或刪除按類(lèi)基(per-class basis)而使得這種方法更加簡(jiǎn)便易行。盡管這是一種有效的方法，但這里我仍然不會(huì)采用這種方法，因?yàn)槲腋鼉A向采用適合C語(yǔ)言環(huán)境的技術(shù)。

分配位置

有時(shí)，位置信息比類(lèi)型信息更為有效。幸而我們能夠靈活地使用宏定義，從而無(wú)須更換標(biāo)記即可選擇這些信息。

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#define mMalloc(size_t size)

mMallocLineNo(size, __LINE__,

__FILE__)

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mMallocLineNo()函數(shù)是程序清單1中函數(shù)mMalloc()的變異?，F(xiàn)在我們期望像程序清單3那樣存儲(chǔ)行號(hào)和文件名信息，為保持額外信息，結(jié)構(gòu)BlockEntry將具有如下形式：

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typedef struct

{

void * addr;

size_t size;

int line;

char * file;

} BlockEntry;

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通過(guò)為每個(gè)內(nèi)存塊存儲(chǔ)行號(hào)和文件名，就能精確地定位任何分配的內(nèi)存塊?？梢詾樗刑囟ㄩL(zhǎng)度的表項(xiàng)設(shè)計(jì)一個(gè)輸出行號(hào)和文件名為mDisplayLocation()的函數(shù)，這樣就能輕易地識(shí)別出長(zhǎng)度可疑的內(nèi)存塊的來(lái)源。

再次回到表1，可能我們會(huì)擔(dān)心長(zhǎng)度為44的內(nèi)存塊。為了更多地了解這些內(nèi)存的來(lái)源，可以在函數(shù)main()的末尾添加如下代碼：

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mDisplayLocation(44);

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這能將行44輸出50遍。

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line = 162, file = listing2.c

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這清晰地表明內(nèi)存塊在函數(shù)growForever()中分配。

可變的長(zhǎng)度



某些內(nèi)存分配的長(zhǎng)度可以發(fā)生急劇變化，例如：

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char *p = malloc(strlen(name)+1);

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是分配一塊足以存儲(chǔ)字符串名和字符串截止符的內(nèi)存的通用方法。在嵌入式系統(tǒng)中，不會(huì)經(jīng)常對(duì)字符串和文件進(jìn)行操作；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分配則不是這樣，例如：

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Motor *m = malloc(sizeof(Motor));

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如果假定Motor為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，那么上述分配將總是得到相同長(zhǎng)度的內(nèi)存塊，在上面描述的函數(shù)中，將在輸出中更簡(jiǎn)便地識(shí)別出這些內(nèi)存塊。

在分配可變長(zhǎng)度內(nèi)存塊時(shí)，可以行號(hào)和文件名的組合為核心計(jì)算內(nèi)存分配的計(jì)數(shù)。示例中，我們存儲(chǔ)了行號(hào)和文件名，但打印的總數(shù)則取決于長(zhǎng)度。通過(guò)行號(hào)和文件名的聚合分配將有助于在相同的位置將所有的分配組合起來(lái)，而不管分配的長(zhǎng)度如何。某些情況下，即便可變的長(zhǎng)度不成問(wèn)題，這樣的分析仍然能帶給我們更多的啟發(fā)。

內(nèi)存表

任何含有內(nèi)存丟失的代碼都將導(dǎo)致這里給出的內(nèi)存表不斷增大，而且并非所有的丟失都能像growForever()示例那樣清晰無(wú)誤地進(jìn)行識(shí)別。即便采用其它技術(shù)進(jìn)行丟失檢測(cè)和消除，這些輸出表仍將有助于確定丟失是否已被消除。

這里給出的循環(huán)并不處理可變的輸入數(shù)據(jù)。在實(shí)際項(xiàng)目中，通常插入一些調(diào)用(如仿真鍵盤(pán)敲擊序列的調(diào)用)以模擬輸入。在實(shí)際系統(tǒng)中，還必須創(chuàng)建一些適當(dāng)?shù)妮斎?。除非自己希望改變代碼，否則完全無(wú)須訪問(wèn)導(dǎo)致內(nèi)存丟失的代碼段。因此，這里的示例或許向大家提供了一個(gè)良好的開(kāi)端，但任何內(nèi)存丟失仍然需要進(jìn)行一些檢測(cè)。欲了解更多信息請(qǐng)查閱/murphyslaw。

作者簡(jiǎn)介：

Niall Murphy為用戶接口和醫(yī)療系統(tǒng)編寫(xiě)軟件已經(jīng)10年。他是《為嵌入式用戶接口設(shè)計(jì)軟件》一書(shū)的作者。Murphy非常歡迎讀者反饋，可以通過(guò)nmurphy@panelsoft.com與他聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)

1. Eckel, Bruce. Thinking in C++. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000.

2. Murphy, Niall. "Assert Yourself," Embedded Systems Programming, May 2001, p. 27.