動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理模塊的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)

引言

當(dāng)前，絕大多數(shù)嵌入式平臺(tái)上的軟件都采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。除了代碼簡(jiǎn)潔、運(yùn)行高效之外，靈活操作內(nèi)存的能力更是C語(yǔ)言的重要特色。然而，不恰當(dāng)?shù)膬?nèi)存操作通常也是錯(cuò)誤的根源之一。如“內(nèi)存泄漏” ――不能正確地釋放已分配的動(dòng)態(tài)內(nèi)存，就是一種非常難于檢測(cè)的存錯(cuò)誤。持續(xù)的內(nèi)存泄漏會(huì)使程序性能下降到最終完全不能運(yùn)行，進(jìn)而影響到所有其它有動(dòng)態(tài)內(nèi)存需求的程序，在某些相對(duì)簡(jiǎn)單的嵌入式平臺(tái)上甚至?xí)恋K操作系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。再如“寫(xiě)內(nèi)存越界”，一種不合法的寫(xiě)內(nèi)存操作，極可能破壞到本程序中正在使用的其它數(shù)據(jù)，嚴(yán)重的時(shí)候還可能對(duì)其它正在運(yùn)行的程序甚至整個(gè)系統(tǒng)造成影響。為此，本文介紹一個(gè)增強(qiáng)的、可定制的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理模塊（以下不妨簡(jiǎn)稱(chēng)Fense），在 C語(yǔ)言提供的內(nèi)存分配函數(shù)基礎(chǔ)上，增加了對(duì)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的管理功能；能記錄軟件運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的內(nèi)存泄漏信息，同時(shí)也具一定的監(jiān)測(cè)內(nèi)存操作的能力；可以發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的寫(xiě)越界錯(cuò)誤。

1、Fense的設(shè)計(jì)原理

Fense 通過(guò)設(shè)立一個(gè)雙向鏈表（struct Head *stHead）來(lái)保存所有被分配的動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊的信息。鏈表中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊，節(jié)點(diǎn)中包括此內(nèi)存大小、分配發(fā)生時(shí)所在的源文件名和行號(hào)以及被釋放的時(shí)候，F(xiàn)ense又從st_Head中刪除之，檢查st_Head中的節(jié)點(diǎn)即可得到未被釋放的本節(jié)點(diǎn)的數(shù)值校驗(yàn)和等。Fense將每一個(gè)分配的動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊插入到鏈表st_Head中；當(dāng)此內(nèi)存放內(nèi)存塊信息。鏈表節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)定義如下：

struct Head{

char file; /分配所在源文件名*/

unsigned long line; /*分配所在的行號(hào)*/

size_t size; /*分配的內(nèi)存大小*/

int checksum; /*鏈表節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)和*/

struct Head prev，next; /*雙鏈表的前后節(jié)點(diǎn)指針*/

}；

/*全局的雙向鏈表*/

struct Head *st_Head=NULL;

為了檢測(cè)寫(xiě)越界的錯(cuò)誤，F(xiàn)ense在用戶(hù)申請(qǐng)的內(nèi)存前后各增加了一定大小的內(nèi)存作為監(jiān)測(cè)區(qū)域，并初始化成預(yù)定值。這樣，當(dāng)程序發(fā)生越界寫(xiě)操作時(shí)，預(yù)定值就會(huì)發(fā)生改變，F(xiàn)ense即可檢測(cè)到錯(cuò)誤。

通過(guò)Fense分配到的動(dòng)態(tài)內(nèi)存結(jié)構(gòu)如圖1所示。由此可知，F(xiàn)ense_Malloc（Fense的內(nèi)存分配函數(shù)）返回給用戶(hù)的指針ptr指向的是用戶(hù)申請(qǐng)內(nèi)存區(qū)域的起始位置。鏈表節(jié)點(diǎn)、前/后監(jiān)測(cè)區(qū)域均為Fense內(nèi)部使用，是用戶(hù)不可見(jiàn)的。

2、 用戶(hù)定制選項(xiàng)

Fense有5組宏定義提供給用戶(hù)對(duì)功能進(jìn)行定制。各組選項(xiàng)控制意義如下：

WARN_ON_ZERO_MALLOC 用戶(hù)申請(qǐng)零分配空間時(shí)警告信息。

FILL_ON_MALLOC 分配時(shí)初始化內(nèi)存塊

FILL_ON_MALLOC_VAL 分配初始化時(shí)的預(yù)設(shè)值

FILL_ON_FREE 釋放時(shí)填充內(nèi)存塊

FILL_ON_FREE_VAL 釋放時(shí)填充內(nèi)存塊的預(yù)設(shè)值

以上4個(gè)選項(xiàng)的主要功能是初始化剛分配到的內(nèi)存和剛被釋放的內(nèi)存為預(yù)設(shè)值，盡可能地避免出現(xiàn)因使用未初始經(jīng)的內(nèi)存而引發(fā)的錯(cuò)誤。

FENSE_FRONT_SIZE 定義前監(jiān)測(cè)區(qū)域大小

FENSE_FRONT_VAL 定義前監(jiān)測(cè)區(qū)域的預(yù)設(shè)值

FENSE_END_SIZE 定義后監(jiān)測(cè)區(qū)域大小

FENSE_END_VAL 定義后監(jiān)測(cè)工域的預(yù)設(shè)值

在Fense 工作過(guò)程中，對(duì)內(nèi)存越界寫(xiě)操作的檢驗(yàn)是通過(guò)比較監(jiān)測(cè)區(qū)域的當(dāng)前值與本監(jiān)測(cè)區(qū)域的預(yù)設(shè)值來(lái)確定的。顯然不能排除這樣一種可能：即發(fā)生在監(jiān)測(cè)區(qū)域的越界寫(xiě)操作寫(xiě)入的數(shù)值與監(jiān)測(cè)區(qū)域的預(yù)設(shè)值恰好相同，此時(shí)，F(xiàn)ense無(wú)法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的發(fā)生。對(duì)于這種情況，用戶(hù)可以通過(guò)更改監(jiān)測(cè)區(qū)域預(yù)設(shè)值（FENSE_FRONT_VAL和FENSE_END_VAL）和監(jiān)測(cè)區(qū)域大?。‵ENSE_FRONT_SIZE和FENSE_END_SIZE）為多組不同的值來(lái)反復(fù)測(cè)試，這樣就可以大幅度地提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

VALIDATE_FREE

free是檢查本內(nèi)存塊是否在鏈表中

CHECK_ALL_MEMORY_ON_FREE

free時(shí)檢查鏈表中的所有內(nèi)存塊

由于存在這樣一種情況：對(duì)內(nèi)存塊A的寫(xiě)操作出現(xiàn)了越界錯(cuò)誤，寫(xiě)到了另一內(nèi)存塊B的區(qū)域內(nèi)。此時(shí)，僅僅檢查內(nèi)存塊A的有效性就無(wú)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如果同時(shí)檢查所有的動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊，則有可能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤所在。以上選項(xiàng)即為此而設(shè)。

FENSE_LOCK 獲取對(duì)鏈表st_Head的操作權(quán)

FENSE_UNLOCK 釋放對(duì)鏈表st_Head的操作權(quán)

考慮到的在多線程環(huán)境中，可能有多個(gè)線程同時(shí)用Fense進(jìn)行內(nèi)存管理，而Fense使用的鏈表st_Head是全局變量，因此提供了以上2個(gè)宏來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) st_Head的互斥訪問(wèn)。宏的具體定義依賴(lài)于用戶(hù)所在的軟件環(huán)境，用戶(hù)可自行實(shí)現(xiàn)。對(duì)于單線程系統(tǒng)，僅需將這2個(gè)宏定義為空即可。

為便于使用，F(xiàn)ense的頭文件中還包括了以下定義，使得用戶(hù)基本不用改動(dòng)現(xiàn)有的源代碼就可引入Fense。

#define malloc（size） Fense_Malloc（size，_FILE_，_LINE_）

#define free（ptr） Fense_Free（ptr，_FILE_，_LINE_）

#define realloc（ptr，new_size） Fense_Realloc（ptr，new_size，_FILE_，_LINE_）

#define colloc（num，size） Fense_Calloc（num，size，_FILE_，_LINE_）

3、 運(yùn)行時(shí)控制

Fense 監(jiān)測(cè)內(nèi)存的功能可以在運(yùn)行動(dòng)態(tài)地開(kāi)關(guān)。此功能通過(guò)將全局變量st_Disbaled賦值為零或非零來(lái)實(shí)現(xiàn)。在調(diào)試過(guò)程中，可以在調(diào)試器中即時(shí)修改 st_Disabled的值來(lái)控制Fense的行為，省去了重編譯源代碼的需要。對(duì)于那些需要大量編譯時(shí)間的大型工程或交叉平臺(tái)開(kāi)發(fā)的軟件項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，這是非常有利的。

4、 Fense的具體實(shí)現(xiàn)

Fense 提供Fense_Malloc、Fense_Free、Fense_Realloc及Fense_Calloc等內(nèi)存管理函數(shù)，功能和調(diào)用形式與C語(yǔ)言中的malloc、free、realloc和calloc保持一致。限于篇幅，這里僅對(duì)Fense_Malloc和Fense_Free的實(shí)現(xiàn)過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)單描述，具體實(shí)現(xiàn)請(qǐng)見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版。http://www.dpj.com.cn

/*內(nèi)存分配函數(shù)*/

void *Fense_Malloc（size_t size，char *file，unsigned long line）

{

//檢查Fense的運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)，如果Fense被關(guān)閉，則調(diào)用malloc

//分配并返回

//檢查是否零分配，如有則提示警告信息后返回0（用戶(hù)定制選項(xiàng)）

//分配內(nèi)存，包括鏈表節(jié)點(diǎn)區(qū)域和前/后監(jiān)測(cè)區(qū)域

//初始化鏈表節(jié)點(diǎn)，保存分配內(nèi)存的信息，包括分配的大小、所在文件名和行號(hào)

//將此節(jié)點(diǎn)插入鏈表st_Head

//為本節(jié)點(diǎn)區(qū)域計(jì)算校驗(yàn)和

//用預(yù)設(shè)值初始化前/后監(jiān)測(cè)區(qū)域

//用預(yù)設(shè)值填充用戶(hù)內(nèi)存區(qū)域（用戶(hù)定制選項(xiàng)）

//返回用戶(hù)內(nèi)存區(qū)域的起始位置

}

/*內(nèi)存釋放函數(shù)*/

void Fense_Free（void *uptr，char *file，unsigned long line）

{

//檢查Fense的運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)，如果Fense初關(guān)閉，則調(diào)用free釋譯并返回

//檢查所有Fense管理下的動(dòng)態(tài)內(nèi)存（用戶(hù)定制選項(xiàng)）

//判斷當(dāng)前內(nèi)存塊是否在鏈表st_Head中，如果不在則提示

//警靠信息，退出（用戶(hù)定制選項(xiàng)）

//檢查當(dāng)前內(nèi)存塊是否存在越界操作

//將當(dāng)前內(nèi)存塊的相應(yīng)的鏈表節(jié)點(diǎn)從st_Head中刪除

//重新計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前后相鄰節(jié)點(diǎn)的校驗(yàn)和

//用預(yù)設(shè)值填充被釋放的內(nèi)存區(qū)（用戶(hù)定制選項(xiàng)）

//調(diào)用free釋放當(dāng)前的內(nèi)存塊

}

（文中代碼在Visual C++6.0、Borland C++ 3.1及CrossCode C 7.4環(huán)境中編譯通過(guò)）

5、結(jié)束語(yǔ)

作為對(duì)C程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測(cè)的代碼模塊，F(xiàn)ense能發(fā)現(xiàn)幾乎所有的內(nèi)存泄漏和絕大多數(shù)的越界操作，并盡可能地記錄了改正程序錯(cuò)誤所需要的信息；有效地減少了程序設(shè)計(jì)人員的調(diào)試時(shí)間，在實(shí)際嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中取得了很好的效果。

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