Visual Leak Detector - 增强内存泄漏检测工具 for Visual C++ （翻译）

古城微笑少年丶 2022-01-07 03:09 928阅读 0赞

**原文及源码下载地址：**[http://www.codeproject.com/KB/applications/visualleakdetector.aspx][http_www.codeproject.com_KB_applications_visualleakdetector.aspx]

**名词解释：**

1、stack trace：调用堆栈信息

2、debug heap：调试堆

3、Allocation Hook：向调试堆注册的回调函数，当申请内存时，调试堆即调用此回调函数

**前言**

VC++提供内建的内存泄漏检测，但是其功能简陋。本文介绍的工具Visual Leak Detector（以下称VLD）它提被用于替代vc++内建的检测工具，供一些特性：

1、对每个泄漏内存块提供stack trace，包括源码文件名及行数信息。

2、提供泄漏内存块的完全数据诊断(dump)，包括16进制与2进制表示。

3、对于泄漏报告的细节可定制

vc++下可以使用的还有一些商业化的内存检测工具，例如Purify或BoundsChecker都受到人们的欢迎，但价格不菲。有相当多的免费替代品，但通常是不可靠的、有局限性的。VLD相比于其他的免费替代品有如下的优势：

1、VLD被打包成易于使用的类库。你不需要编译它的源码，只需要在你的项目中整合少许代码。

2、额外的提供stack trace，包括源码文件名，行数，和函数名，并且能提供数据诊断（data dumps）

3、支持c/c++程序(兼容new/delete 和 malloc/free)

4、提供完整的、文档化的源码，所以，你可以轻松的定制它

**使用VLD**

本节简要介绍VLD的使用基础知识。对于更深入的讨论，例如：配置选项，API，更多的高级使用场景（例如在DLL中使用），请参见位于压缩包内的完整文档。

欲在你的项目中使用VLD，顺序执行如下几个简单步骤即可：

1、拷贝VLD lib文件至Visual C++安装目录下的lib子文件夹内

2、拷贝VLD头文件（*vld.h* and *vldapi.h*）至Visual C++安装目录下的"*include*"子文件夹

3、在程序入口点所在的源文件内包含*vld.h*。最好将此头文件包含在其他头文件之前，*stdafx.h*之后，但这并不是必须的。如果这个源文件包含了*stdafx.h*，那么*vld.h*应该在其后包含。

4、如果运行环境是windows2000或更新，则需要拷贝*dbghelp.dll*至被调试的可执行文件目录下。

5、编译debug版本的project

在vc++中使用调试器运行debug版本的程序时，VLD将会启动执行。在程序结束后，内存泄漏检测报告将会显示在vc++调试信息输出窗口。双击报告中的源码行数信息，vc++将会跳转至对应的源码处。

注意：在release版本下，VLD并不链接到可执行文件。所以对于release版本可安全的与VLD分离。这种方式保证了不会有任何的性能下降和不良开销。

**创建VLD**

VLD的目标是成为VC++内置检测器的更好的替代品。考虑到这一点，我们使用VC++内置检测器所使用的方法，即CRT调试堆（CRT Debug Heap）。但是VLD更强大的是拥有完全的stack trace功能，它可以尽可能的帮助你找到和修正泄漏。

**vc++内置检测器**

内置检测器非常简单。当程序退出，在main返回之后，CRT执行一堆清理代码。如果内置检测器被启用，则会在清理过程中执行一些泄漏检测。泄漏检测简单的查看debug heap:如果有用户分配的内存块还存在于调试堆上，那么必然是泄漏。

调试版本的malloc调用时，会分配一个内存块头结构(block's header)，其中存储着源文件名和行数。内存检测器就是简单的从头结构中取出文件名和行数，来标示一个内存泄漏信息，并将信息报告给调试器显示出来。

注意：内置检测器对分配和释放内存没有任何的监控。它只是简单的在进程终止前为堆生成“快照”，并且基于“快照”确定是否有泄漏发生。堆的“快照”只告诉你是否泄漏了，而不能告诉你是什么导致了泄漏。当然，要确定“是什么导致了泄漏”，我们需要得到stack trace。然而，要得到stack trace，需要在运行时监控每一次内存分配操作。这就是VLD和内置检测器的区别。

**Allocation Hooking**

幸运的是，微软提供了一种简单的方式，用于监控每一次内存分配（从调试堆中）:Allocation Hook。它是一个用户提供的回调函数，此函数会在内存分配前被调用。微软提供了\_CrtSetAllocHook函数，用于注册回调函数至调试堆。

调试堆调用回调函数时，会传递一个参数，参数实际是一个唯一的串号，用于标示此次分配。串号并不能为我们提供关于block's header的任何信息，但是我们可以以串号作为key,去映射对应的内存块，以记录我们想要记录的信息。

**调用堆栈遍历(Walking the Stack)**

现在我们已经可以在每次分配内存时获得通知，以及获得串号，那么现在要做的就是记录调用堆栈信息了。我们可以尝试使用内联汇编进行栈展开(unwind the stack)。但是栈帧(stack frames)的产生可能源于不同的方式，其依赖于编译器的优化和调用约定。

幸好，微软提供了函数StackWalk64，这个函数被称之为调用堆栈遍历。它在*dbghelp.dll*中导出。调用StackWalk64后，其会填充用户传入的STACKFRAME64结构。它可以被循环的调用，直到到达堆栈的底部。

**初始化**

现在VLD有了良好的开端。我们可以监视每一次内存分配，并且拥有stack trace。

现在只需要确保在程序启动时就为debug heap注册好回调函数。当然，这可以简单的通过创建一个全局的C++对象实例（称VLD对象）来实现，VLD对象会在程序初始化时构造。在构造时，调用`_CrtSetAllocHook注册回调函数。`

`等等，如果程序中有其他的全局对象在构造时申请了内存，我们将如何能确保VLD对象的构造被最先调用呢？（译者注：只有VLD对象最先被调用，才能监控到其他对象的内存申请操作，包括全局对象）遗憾的是，c++规范中并没有详述任何关于全局对象构造顺序的事宜。所以，不能保证VLD对象会被最先构造。`

`但我们必须尽量满足这一点，我们利用一个特别的编译器预处理指令，告诉编译器，让VLD对象尽快的构造，这个指令是：#pragma init_seg (compiler)。这条指令告诉编译器，将VLD对象置入compiler段(compiler segment)。在这个段内的对象将被最先构造，接着是libray段（library segment）的对象被构造，最后是User段（user segment）的对象被构造。用户定义的全局对象默认就是置于User段。一般来说，普通的用户定义的对象是不会放入compiler段的。所以，这基本可以使我们的VLD对象在其他全局对象前构造。`

`检测内存泄漏`

`介于 全局对象的销毁顺序与构造顺序相反，我们的VLD对象也会在其他全局对象之后销毁。现在我们就可以像内建检测器那样检查内存泄漏了。`

`如果我们发现了某个内存块没有被释放，那便是一个泄漏，我们能够利用挂钩函数返回给我们的串号，来检查stack trace。STL中的map恰好合用，它可以映射串号和其stack trace。但是VLD并没有使用STL map,这是希望对旧版本的vc++保持兼容性，因为旧版本的STL并不兼容于新版本，所以不能使用它。这恰好是一个模拟STL map的好机会，并且可以在其中做特定的优化。`

`还记得前面提及的，内建检测器会在内存块头部取得源文件名和行数信息吗？好的，我们现在所拥有的stack trace，只是一组地址而已。将这些信息输出到调试器并不完全够用。为了让这些地址更直观，需要将它们转换为可读的信息：文件名与行数（也需要函数名）。再一次，微软带来了合适的工具帮助我们解决难题，如同StackWalk64，它们也是Debug Help Library的一部分。它们是：`

`1、SymGetLineFromAddr64：将给定的地址转换为源文件名和行数`

`2、SymFromAddr：将给定的地址转换为函数名（symbol name）`

`源码中的关键点`

`考虑到你可能厌倦并且跳过了前述，我将在这里进行总结。`

一言以蔽之，VLD的工作过程如下：

1、首先，一个全局对象被自动创建。这个对象被最早创建。在对象的构造函数中，向调试堆注册了我们的回调函数。

2、之后，每次申请内存时都会引发回调函数被调用，回调函数中获得并记录了stack trace。这些信息被记录于类似于STL map这样的结构中。

3、最后，程序终止，这个全局对象最后被销毁。它检查调试堆并识别泄漏。泄漏的内存块在map中被查找到，其stack trace经过处理后发送至调试器并显示出来。

**步骤1：注册Allocation Hook**

这是`VisualLeakDetector`类的构造函数。

注意\_CrtSetAllocHook的调用，allochook是我们的Allocation Hook。

linkdebughelplibrary完成了*dbghelp.dll*的动态链接。由于VLD自身就是一个library,隐式链接*dbghelp.lib*将使VLD库链接时依赖*dbghelp.lib*，而*dbghelp.lib*并非在所有的机器上都存在，同时，也是不可再发行的（not redistributable）。因此，隐式链接是不可行的。我们需要采取运行时动态链接来绕过lib。

// Constructor - Dynamically links with the Debug Help Library and installs the

//   allocation hook function so that the C runtime's debug heap manager will

//   call the hook function for every heap request.

VisualLeakDetector::VisualLeakDetector ()

{

// Initialize private data.

m_mallocmap    = new BlockMap;

m_process      = GetCurrentProcess();

m_selftestfile = __FILE__;

m_status       = 0x0;

m_thread       = GetCurrentThread();

m_tlsindex     = TlsAlloc();

if (_VLD_configflags & VLD_CONFIG_SELF_TEST) {

// Self-test mode has been enabled.

// Intentionally leak a small amount of

// memory so that memory leak self-checking can be verified.

strncpy(new char [21], "Memory Leak Self-Test", 21);

m_selftestline = __LINE__;

}

if (m_tlsindex == TLS_OUT_OF_INDEXES) {

report("ERROR: Visual Leak Detector:"

" Couldn't allocate thread local storage.\n");

}

else if (linkdebughelplibrary()) {

// Register our allocation hook function with the debug heap.

m_poldhook = _CrtSetAllocHook(allochook);

report("Visual Leak Detector "

"Version "VLD_VERSION" installed ("VLD_LIBTYPE").\n");

reportconfig();

if (_VLD_configflags & VLD_CONFIG_START_DISABLED) {

// Memory leak detection will initially be disabled.

m_status |= VLD_STATUS_NEVER_ENABLED;

}

m_status |= VLD_STATUS_INSTALLED;

return;

}

report("Visual Leak Detector is NOT installed!\n");

}

**步骤2：调用堆栈遍历**

这个函数承担了获取stack trace的责任，这也许是整个程序中最棘手的部分。第一次调用`StackWalk64`前的准备工作尤为棘手。开始之前，`StackWalk64`需要确切的知道从栈上的何处开始遍历，因为它并不默认从当前的栈帧（stack frame）开始遍历。这就需要我们提供当前栈帧地址以及当前程序地址（MSDN解释：此地址正是EIP中存储的地址）。可以通过`GetThreadContext`函数获取线程上下文，其中便包含这两个地址。但是正如MSDN的解释，`GetThreadContext不能在线程运行时获取到有效的信息（据MSDN：调用前必须调用SuspendThread挂起线程）。那就是说，GetThreadContext在这里并不适用。更好的办法是直接取得所需的地址，欲达到这种效果，唯一的途径是使用内联汇编。`

`获取当前栈帧地址很简单：直接从CPU的EBP寄存器中读取。`

`而获取程序地址则有一些困难。尽管EIP寄存器中存储了当前程序地址，但是在X86下，它不能被软件读取。那么，我们采取一种间接的方式来实现：调用另一个函数，并从此函数中获取返回地址，原理是被调用者返回地址就是调用者地址。因此，我们创建了一个特别的函数getprogramcounterx86x64。既然我们已经使用了内联汇编，那么完全可以使用汇编写一个函数调用，但是考虑到可读性，还是使用C++。`

在以下的代码中，pStackWalk64、`pSymFunctionTableAccess64和pSymGetModuleBase64都是函数指针，指向dbghelp.dll中的对应的API。`

// getstacktrace - Traces the stack, starting from this function, as far

//   back as possible.

//  - callstack (OUT): Pointer to an empty CallStack to be populated with

//    entries from the stack trace.

//  Return Value:

//    None.

void VisualLeakDetector::getstacktrace (CallStack *callstack)

{

DWORD        architecture;

CONTEXT      context;

unsigned int count = 0;

STACKFRAME64 frame;

DWORD_PTR    framepointer;

DWORD_PTR    programcounter;

// Get the required values for initialization of the STACKFRAME64 structure

// to be passed to StackWalk64(). Required fields are AddrPC and AddrFrame.

#if defined(_M_IX86) || defined(_M_X64)

architecture = X86X64ARCHITECTURE;

programcounter = getprogramcounterx86x64();

__asm mov [framepointer], BPREG // Get the frame pointer (aka base pointer)

#else

// If you want to retarget Visual Leak Detector to another processor

// architecture then you'll need to provide architecture-specific code to

// retrieve the current frame pointer and program counter in order to initialize

// the STACKFRAME64 structure below.

#error "Visual Leak Detector is not supported on this architecture."

#endif // defined(_M_IX86) || defined(_M_X64)

// Initialize the STACKFRAME64 structure.

memset(&frame, 0x0, sizeof(frame));

frame.AddrPC.Offset    = programcounter;

frame.AddrPC.Mode      = AddrModeFlat;

frame.AddrFrame.Offset = framepointer;

frame.AddrFrame.Mode   = AddrModeFlat;

// Walk the stack.

while (count < _VLD_maxtraceframes) {

count++;

if (!pStackWalk64(architecture, m_process, m_thread,

&frame, &context, NULL, pSymFunctionTableAccess64,

pSymGetModuleBase64, NULL)) {

// Couldn't trace back through any more frames.

break;

}

if (frame.AddrFrame.Offset == 0) {

// End of stack.

break;

}

// Push this frame's program counter onto the provided CallStack.

callstack->push_back((DWORD_PTR)frame.AddrPC.Offset);

}

// getprogramcounterx86x64 - Helper function that retrieves the program counter

//   for getstacktrace() on Intel x86 or x64 architectures.

//  Note: Inlining of this function must be disabled. The whole purpose of this

//    function's existence depends upon it being a *called* function.

//  Return Value:

//    Returns the caller's program address.

#if defined(_M_IX86) || defined(_M_X64)

#pragma auto_inline(off)

DWORD_PTR VisualLeakDetector::getprogramcounterx86x64 ()

{

DWORD_PTR programcounter;

// Get the return address out of the current stack frame

__asm mov AXREG,

// Put the return address into the variable we'll return

__asm mov [programcounter], AXREG

return programcounter;

}

#pragma auto_inline(on)

#endif // defined(_M_IX86) || defined(_M_X64)

**步骤3：产生更好的内存泄漏报告**

最后，下面的这个函数将会转换堆栈遍历时获取的程序地址至函数名。注意“地址-函数名”的转换只发生在内存泄漏被检测到的时候。避免了在程序运行时查找符号表，这将会带来巨大的额外的开销，更不必存储符号名，因为已经存储了地址，再存储符号名是没有意义的。

关于已分配的内存块链表的访问权获取，CRT并没有公布相关文档。这个链表正是被内建检测器用以确定是否存在内存泄漏。

我已经想出了关于获取链表访问权的方法。原理是：无论何时申请新的内存块，那么这个内存块都将被放置链表的头部。那么，如果要获得链表的头部，只需要临时申请一个内存块，这个临时内存块的地址可以被转换成包含\_CrtMemBlockHeader结构的地址，并且拥有了链表头指针。

在以下的代码中，pSymSetOptions、pSymInitialize、pSymGetLineFromAddr64和`pSymFromAddr`都是函数指针，指向*dbghelp.dll*中导出的API。而report函数就类似于`OutputDebugString`这样的输出调试信息函数。

这个函数相当长，为了更好的可读性，我省略了所有的琐碎部分，以突出重点。关于函数的完全实现，请参见源码。

// reportleaks - Generates a memory leak report when the program terminates if

//   leaks were detected. The report is displayed in the debug output window.

//  Return Value:

//    None.

void VisualLeakDetector::reportleaks ()

{

...

// Initialize the symbol handler. We use it for obtaining source file/line

// number information and function names for the memory leak report.

symbolpath = buildsymbolsearchpath();

pSymSetOptions(SYMOPT_LOAD_LINES | SYMOPT_DEFERRED_LOADS | SYMOPT_UNDNAME);

if (!pSymInitialize(m_process, symbolpath, TRUE)) {

report("WARNING: Visual Leak Detector: The symbol handler"

" failed to initialize (error=%lu).\n"

"    Stack traces will probably not be available"

" for leaked blocks.\n", GetLastError());

}

...

#ifdef _MT

_mlock(_HEAP_LOCK);

#endif // _MT

pheap = new char;

pheader = pHdr(pheap)->pBlockHeaderNext;

delete pheap;

while (pheader) {

...

callstack = m_mallocmap->find(pheader->lRequest);

if (callstack) {

...

// Iterate through each frame in the call stack.

for (frame = 0; frame < callstack->size(); frame++) {

// Try to get the source file and line number associated with

// this program counter address.

if (pSymGetLineFromAddr64(m_process,

(*callstack)[frame], &displacement, &sourceinfo)) {

...

}

// Try to get the name of the function containing this program

// counter address.

if (pSymFromAddr(m_process, (*callstack)[frame],

&displacement64, pfunctioninfo)) {

functionname = pfunctioninfo->Name;

}

else {

functionname = "(Function name unavailable)";

}

...

}

...

}

pheader = pheader->pBlockHeaderNext;

}

#ifdef _MT

_munlock(_HEAP_LOCK);

#endif // _MT

...

}

**已知的ＢＵＧ和限制**

以下是最新版本的已知ＢＵＧ和限制：

１、VLD不能检测COM的泄漏，out-of-process资源泄漏，或者其他一些与CRT堆无关的泄漏。简单的说，VLD只能检测new或malloc所产生的泄漏。请记住VLD的目的就是取代内建检测器，而内建检测器只检测new或malloc引起的泄漏。

2、VLD不兼容6.5版本的*dbghelp.dll*。建议是使用6.3版本。6.3版本已经包含在源码包内。

3、源码包内自带的预编译好的lib可能与vs2005不兼容。如果你的环境是vs2005，建议使用VLD源码在VS2005下重新编译。

[http_www.codeproject.com_KB_applications_visualleakdetector.aspx]: http://www.codeproject.com/KB/applications/visualleakdetector.aspx

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