第四部分： Windows 调试技术 - 调试内存泄漏（ Perfmon）
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这是 Windows 应用程序调试系列文章的第 4 部分，重点介绍内存泄漏。
引言
本文以简单易懂的方式解释了如何调试 Windows 应用程序中的内存泄漏。本文的范围仅限于用户模式调试，并介绍了使用 Perfmon 进行非常基础的调试。
注意：这是一个系列文章，分为 5 个部分。
第一部分：Windows 调试技术 - 应用程序崩溃调试 (Windbg)
第二部分：Windows 调试技术 - 应用程序崩溃调试 (DebugDiag, AppVerifier)
第三部分：Windows 调试技术——调试应用程序崩溃（自动生成转储）
第四部分：
第五部分：
背景
原生代码最常见的问题之一是内存泄漏，主要原因是内存管理被交给了应用程序自身。分配和释放内存是应用程序的责任。当一个应用程序动态分配了内存，但在使用完毕后没有释放它，这个程序就存在内存泄漏。这部分内存虽然不再被应用程序使用，但也不能被系统或任何其他程序使用。
定义
首先，让我们试着理解内存的基础知识。我们从“虚拟地址空间”开始。一个进程的虚拟地址空间是它可以使用的虚拟内存地址的集合。每个进程的地址空间都是私有的，除非共享，否则其他进程无法访问。进程中进行的任何操作，如分配内存、创建静态对象等，都在其中进行。
所有东西都存在于虚拟地址空间（VAS）内。内存的四个段：代码段、栈段、数据段和堆都位于 VAS 内部。请看下图：
我们在这里看到，地址空间被分为用户模式和内核模式两部分。用户模式和内核模式各有 2GB 的虚拟地址空间。区别在于，2GB 的内核模式空间在系统范围内的所有运行进程之间共享。而用户模式空间是进程专用的，即所有的内存分配都在这个空间内进行。这是进程私有的。例如，使用“new”分配内存会增加用户模式空间。创建一个事件对象、互斥体对象等会增加内核模式空间，因为这些是内核模式对象。
现在让我们讨论如何判断某个特定的 API 会占用用户模式空间还是内核模式空间。如果一个 API 的参数中有 SECURITY_ATTRIBUTES，那么这意味着它将创建一个内核模式对象，而 SECURITY_ATTRIBUTES 将决定其对其他进程的可访问性。
这些 API 的一些例子是：
HANDLE WINAPI CreateEvent( _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, _In_ BOOL bManualReset, _In_ BOOL bInitialState, _In_opt_ LPCTSTR lpName );
HANDLE WINAPI CreateMutex( _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, _In_ BOOL bInitialOwner, _In_opt_ LPCTSTR lpName );在这种情况下，CreateThread 有点不同。
HANDLE WINAPI CreateThread( _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, _In_ SIZE_T dwStackSize, _In_ LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, _In_opt_ LPVOID lpParameter, _In_ DWORD dwCreationFlags, _Out_opt_ LPDWORD lpThreadId );
尽管线程是一个内核模式对象，但当它被创建时，默认会在用户模式中占用 1MB 的栈空间。这意味着在 32 位操作系统上，我们最多可以拥有 2048 个线程，因为这将占用全部 2GB 的用户模式空间。默认的栈大小可以通过 Visual Studio 中的项目设置来修改，这样就可以创建更多的线程。这是 32 位操作系统上虚拟地址空间的一般分布情况。
此外，虚拟地址空间被划分为页，每页大小为 4KB。所以一个虚拟地址空间最多可以拥有的页数是 1024*1024=1048576。所以现在我们明白了，当我们超过这个限制时，我们的应用程序将停止工作，因为没有更多的内存可用。当我们接近这个限制时，系统会提示“虚拟内存不足”。
在 64 位系统上，用户模式空间是 6TB，内核模式空间是 2TB。所以进程有比 32 位大得多的增长空间。这只是内存的基础知识，要了解更多细节，请参考《Windows Internals》一书。
是什么导致了内存泄漏？
有三个非常基本的原因：
1. 堆增长：分配了内存但没有释放，即调用了 malloc 但没有调用 free / 调用了 new 但没有调用 delete。这间接意味着堆在增长但没有被释放，从而导致虚拟内存不断增加，如果超过了指定的限制，应用程序肯定会崩溃。
int main()
{
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
char* p = new char[100];
}
return 0;
}
2. 句柄泄漏：这发生在创建了各种句柄但没有释放的情况下，例如文件句柄、线程句柄、进程句柄等。int main()
{
HANDLE hEvent = NULL;
hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, TEXT("WriteEvent"));
return 0;
}
3. 线程数量：这发生在线程被持续创建，但在完成任务后没有真正退出的情况下。如前所述，这默认会占用 1MB 的用户模式空间，所以如果线程不断增加而不被释放，最终会导致虚拟内存的增加。调试技术
调试内存泄漏是最复杂的问题之一。有一些可用的工具，如 Rational Purifier、Insure++ 等。但要找到确切的问题，需要大量地审阅代码和对整个场景的理解。除此之外，大多数内存泄漏分析工具都是付费的，并非所有组织都真的提倡使用。因此，应该可以用 Windows 操作系统自带的免费工具来修复这类问题。
第一个也是最方便的工具，仅仅用来判断是否存在泄漏，就是“性能监视器”。性能监视器是 Windows 操作系统内置的工具，用于测量应用程序或系统级的各种参数，如：内存、CPU、磁盘等。
以下面的代码为例来说明内存泄漏：
#include <iostream>
#include <Windows.h>
#include <tchar.h>
#include <string>
using namespace std;
bool GetComputerName(wstring& wstrCompName);
bool fileread(const wstring& filepath);
bool GetUserName(wstring& wstrUserName);
int main()
{
int nChoice = 0;
wstring wstrCompName;
wstring wstrUserName;
char ccontinue = '\0';
do
{
wcout<<L"Enter your choice"<<endl;
wcout<<L"1.Read Computer name"<<endl;
wcout<<L"2.Read User Name"<<endl;
cin>>nChoice;
switch(nChoice)
{
case 1:
GetComputerName(wstrCompName);
wcout<<L"Computer name read is"<<wstrCompName.c_str()<<endl;
break;
case 2:
GetUserName(wstrUserName);
wcout<<L"user name read is"<<wstrUserName.c_str()<<endl;
break;
default:
wcout<<L"Invalid option";
}
wcout<<"Do you want to continue Y or N";
cin>>ccontinue;
}while(ccontinue == 'y' || ccontinue == 'Y');
return 0;
}
bool GetComputerName(wstring& wstrCompName)
{
wchar_t* pwszCompName = NULL;
DWORD dwSize = 0;
bool bRet = false;
if (!GetComputerNameEx(ComputerNameDnsHostname, pwszCompName, &dwSize))
{
if(GetLastError() != ERROR_MORE_DATA)
{
wcout<<L"GetComputerNameEx Failed with Error Code"<<GetLastError();
return false;
}
pwszCompName = new(std::nothrow) wchar_t[dwSize + 1];
if(pwszCompName == NULL)
{
wcout<<L"unable to allocate memory"<<endl;
return false;
}
memset(pwszCompName, L'\0', dwSize + 1);
if (!GetComputerNameEx(ComputerNameDnsHostname, pwszCompName, &dwSize))
{
wcou<<L"GetComputerNameEx Failed with Error Code"<<GetLastError();
return false;
}
}
char* test = new char[1024*1024];
wstrCompName.assign(pwszCompName);
return true;
}
bool GetUserName(wstring& wstrUserName)
{
wchar_t* pwszUserName = NULL;
DWORD dwSize = 0;
if(!GetUserName(pwszUserName, &dwSize))
{
if(GetLastError() != ERROR_INSUFFICIENT_BUFFER)
{
wcout<<"GetUserName returned with Error"<<GetLastError();
return false;
}
pwszUserName = new(std::nothrow)wchar_t[dwSize + 1]();
if(pwszUserName == NULL)
{
return false;
}
if(!GetUserName(pwszUserName, &dwSize))
{
if(pwszUserName)
{
delete [] pwszUserName;
pwszUserName = NULL;
}
wcout<<"GetUserName returned with Error"<<GetLastError();
return false;
}
}
wstrUserName.assign(pwszUserName);
if(pwszUserName)
{
delete [] pwszUserName;
pwszUserName = NULL;
}
return true;
}
看一下代码，我们可以发现函数 GetComputerName 中存在泄漏，应该被修复。这里有两个泄漏：一个是变量 pwszCompName 没有被释放，另一个是变量 test 被分配了但没有释放。但情况并非总是如此，我们将要处理的代码会复杂得多。
让我们按部就班地识别并解决问题。
步骤1：在性能监视器工具中添加性能计数器。
- 如下图所示启动性能监视器：
- 通过选择“进程”部分的参数，为应用程序添加性能计数器。
- 查看已添加参数的图表。
步骤2：运行用例并监控图表。
根据我们当前的实现，选择选项 1，然后观察“私有字节(private bytes)”的增长。选择 Y 继续，然后再次选择选项 1，观察“私有字节(private bytes)”的增长。
现在选择选项 2 并观察增长情况。私有字节仅在选择选项 1 时增长。私有字节的增长表明发生了动态分配但没有被释放。换句话说，执行了 new/malloc 但没有调用 free/delete。
下面显示的是当前用例的图表，私有字节是那条持续增长的红线。
步骤3：追踪代码流程并修复问题。
既然我们已经确定问题出在选择选项 1 时，这意味着我们应该开始朝这个方向追踪代码。让我们进入函数 GetComputerName。我们看到变量 pwszCompName 没有被释放，变量 test 也没有被释放。让我们将上面的代码修改为下面的样子，这最终会修复问题。
bool GetComputerName(wstring& wstrCompName)
{
wchar_t* pwszCompName = NULL;
DWORD dwSize = 0;
bool bRet = false;
if (!GetComputerNameEx(ComputerNameDnsHostname, pwszCompName, &dwSize))
{
if(GetLastError() != ERROR_MORE_DATA)
{
wcout<<L"GetComputerNameEx Failed with Error Code"<<GetLastError();
return false;
}
pwszCompName = new(std::nothrow) wchar_t[dwSize + 1];
if(pwszCompName == NULL)
{
wcout<<L"unable to allocate memory"<<endl;
return false;
}
memset(pwszCompName, L'\0', dwSize + 1);
if (!GetComputerNameEx(ComputerNameDnsHostname, pwszCompName, &dwSize))
{
if(pwszCompName)
{
delete [] pwszCompName;
pwszCompName = NULL;
}
wcout<<L"GetComputerNameEx Failed with Error Code"<<GetLastError();
return false;
}
}
char* test = new char[1024*1024];
wstrCompName.assign(pwszCompName);
if(test)
{
delete[] test;
test = NULL;
}
if(pwszCompName)
{
delete [] pwszCompName;
pwszCompName = NULL;
}
return true;
}
摘要
在上面的例子中，我们观察到私有字节的增长。当它超过 4KB 的限制时（在 32 位操作系统上），这最终会增加虚拟字节。同样地，我们也可以监视线程数和句柄数，并以类似的方式修复它们。
这只是使用性能监视器找出问题的一种非常基本的方法，但它非常有效。我在我的职业生涯中多次使用过它，并成功地定位和解决了问题。其他一些可以使用的工具是 DebugDiag 和 UMDH——这些是微软的免费工具。使用 CRT API 是另一种技术，将在下一篇文章中讨论。
参考文献
历史
- 2014-02-10: 文章上传