Finden von Arbeitsspeicherverlusten mit der CRT-Bibliothek

Artikel
06/16/2023

Arbeitsspeicherverluste gehören zu den subtilsten und am schwersten zu erkennenden Fehlern in C/C++-Apps. Arbeitsspeicherverluste entstehen dadurch, dass zuvor zugewiesener Arbeitsspeicher nicht ordnungsgemäß freigegeben wird. Ein geringfügiger Arbeitsspeicherverlust wird möglicherweise zunächst nicht bemerkt, aber im Laufe der Zeit kann es zu Symptomen von einer schlechten Leistung bis hin zu Abstürzen kommen, wenn die App nicht mehr über genügend Arbeitsspeicher verfügt. Eine App mit einem Speicherverlust, der den gesamten verfügbaren Arbeitsspeicher betrifft, kann dazu führen, dass andere Apps abstürzen, wodurch Unsicherheit entsteht, welche App für das Problem verantwortlich ist. Selbst harmlose Arbeitsspeicherverluste können auf andere Probleme hindeuten, die korrigiert werden sollten.

Der Visual Studio-Debugger und die C-Laufzeitbibliothek (CRT) können Ihnen helfen, Arbeitsspeicherverluste zu erkennen und zu identifizieren.

Aktivieren der Arbeitsspeicherverlusterkennung

Die primären Tools zum Erkennen von Speicherlecks sind der C/C++-Debugger und die CRT-Debug heap-Funktionen.

Um alle Debugging-Heapfunktionen zu aktivieren, fügen Sie die folgenden Anweisungen in der hier genannten Reihenfolge in das C++-Programm ein:

#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <stdlib.h>
#include <crtdbg.h>

Durch die #define -Anweisung wird eine Basisversion der CRT-Heapfunktionen der entsprechenden Debugversion zugeordnet. Wenn Sie die #define-Anweisung weglassen, ist das Speicherabbild des Arbeitsspeicherverlusts weniger detailliert.

Einschließlich crtdbg.h ordnet die malloc Funktionen ihren free Debugversionen _malloc_dbg zu und _free_dbgverfolgt speicherzuordnung und deallocation. Diese Zuordnung findet nur in Debugbuilds mit _DEBUGstatt. Releasebuilds verwenden die normalen Funktionen malloc und free .

Nachdem Sie die Debug-Heap-Funktionen mithilfe der vorherigen Anweisungen aktiviert haben, platzieren Sie einen Aufruf _CrtDumpMemoryLeaks vor dem Beenden einer App, um einen Speicherleckbericht anzuzeigen, wenn die App beendet wird.

_CrtDumpMemoryLeaks();

Wenn Ihre App mehrere Endpunkte aufweist, müssen Sie _CrtDumpMemoryLeaks nicht manuell an jedem Endpunkt platzieren. Um einen automatischen Aufruf von _CrtDumpMemoryLeaks an jedem Endpunkt auszulösen, platzieren Sie am Anfang Ihrer App einen Aufruf von _CrtSetDbgFlag mit den hier gezeigten Bitfeldern:

_CrtSetDbgFlag ( _CRTDBG_ALLOC_MEM_DF | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF );

Standardmäßig gibt _CrtDumpMemoryLeaks den Arbeitsspeicherverlust-Bericht im Bereich Debuggen des Ausgabefensters aus. Bei Verwendung einer Bibliothek wird die Ausgabe u. U. auf einen anderen Ort zurückgesetzt.

Sie können _CrtSetReportMode verwenden, um den Bericht an einen anderen Speicherort oder wieder an das Fenster Ausgabe umzuleiten – wie hier gezeigt:

_CrtSetReportMode( _CRT_WARN, _CRTDBG_MODE_DEBUG );

Das folgende Beispiel zeigt einen einfachen Speicherverlust und zeigt Speicherleckinformationen mithilfe von _CrtDumpMemoryLeaks();.

// debug_malloc.cpp
// compile by using: cl /EHsc /W4 /D_DEBUG /MDd debug_malloc.cpp
#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <stdlib.h>
#include <crtdbg.h>
#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Hello World!\n";

    int* x = (int*)malloc(sizeof(int));

    *x = 7;

    printf("%d\n", *x);

    x = (int*)calloc(3, sizeof(int));
    x[0] = 7;
    x[1] = 77;
    x[2] = 777;

    printf("%d %d %d\n", x[0], x[1], x[2]);

    _CrtSetReportMode(_CRT_WARN, _CRTDBG_MODE_DEBUG); 
    _CrtDumpMemoryLeaks();
}

Interpretieren des Arbeitsspeicherverlust-Berichts

Wenn _CRTDBG_MAP_ALLOC nicht in der App definiert ist, zeigt _CrtDumpMemoryLeaks einen Arbeitsspeicherverlust-Bericht an, der wie folgt aussieht:

Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{18} normal block at 0x00780E80, 64 bytes long.
 Data: <                > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

Wenn _CRTDBG_MAP_ALLOC in der App definiert ist, sieht der Arbeitsspeicherverlust-Bericht wie folgt aus:

Detected memory leaks!
Dumping objects ->
c:\users\username\documents\projects\leaktest\leaktest.cpp(20) : {18}
normal block at 0x00780E80, 64 bytes long.
 Data: <                > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

Der zweite Bericht enthält den Dateinamen und die Zeilennummer, in der der Speicherblock mit dem Arbeitsspeicherverlust zuerst belegt wurde.

Unabhängig davon, ob Sie _CRTDBG_MAP_ALLOC definieren oder nicht, sind im Arbeitsspeicherverlust-Bericht folgende Informationen enthalten:

Die Speicherbelegungsnummer, in diesem Beispiel 18
Der Blocktyp, in diesem Beispiel normal
Der hexadezimale Speicherbereich, in diesem Beispiel 0x00780E80
Die Größe des Blocks, in diesem Beispiel 64 bytes
Die ersten 16 Bytes Daten im Block im Hexadezimalformat

Speicherblocktypen sind normal, Client oder CRT. Ein normaler Block ist gewöhnlicher, durch das Programm belegter Speicher. Ein Clientblock ist ein spezieller Speicherblocktyp, der von MFC-Programmen für Objekte verwendet wird, die einen Destruktor erfordern. Durch den MFC-Operator new wird entsprechend dem zu erstellenden Objekt ein normaler Block oder ein Clientblock erstellt.

Ein CRT-Block wird von der CRT-Bibliothek zur eigenen Verwendung belegt. Die CRT-Bibliothek behandelt das Aufheben der Zuordnung für diese Blöcke, sodass CRT-Blöcke nicht im Arbeitsspeicherverlust-Bericht angezeigt werden, es sei denn, es handelt sich um schwerwiegende Probleme mit der CRT-Bibliothek.

Zwei weitere Speicherblocktypen werden nie in Arbeitsspeicherverlust-Berichten angezeigt. Bei einem freien Block handelt es sich um Arbeitsspeicher, der freigegeben wurde, sodass es sich definitionsgemäß nicht um einen Verlust handelt. Ein ignorierter Block ist ein Speicherblock, der explizit von Ihnen markiert wurde, damit er aus dem Arbeitsspeicherverlust-Bericht ausgeschlossen wird.

Mit den obigen Verfahren werden Speicherverluste für Arbeitsspeicher identifiziert, der mithilfe der CRT-malloc-Standardfunktion zugewiesen wurde. Belegt das Programm Speicher mithilfe des C++-Operators new, werden im Arbeitsspeicherverlust-Bericht möglicherweise nur der Dateiname und die Zeilennummer angezeigt, wo operator new _malloc_dbg aufruft. Um einen nützlicheren Arbeitsspeicherverlust-Berichts zu erstellen, können Sie ein Makro wie das folgende schreiben, das die Zeile meldet, die die Belegung vorgenommen hat:

#ifdef _DEBUG
    #define DBG_NEW new ( _NORMAL_BLOCK , __FILE__ , __LINE__ )
    // Replace _NORMAL_BLOCK with _CLIENT_BLOCK if you want the
    // allocations to be of _CLIENT_BLOCK type
#else
    #define DBG_NEW new
#endif

Nun können Sie den new-Operator ersetzen, indem Sie das DBG_NEW-Makro in Ihrem Code verwenden. In Debugbuilds wird eine Überladung von global operator new verwendet, DBG_NEW die zusätzliche Parameter für den Blocktyp, die Datei und die Zeilennummer verwendet. Die Überladung von new ruft _malloc_dbg auf, um die zusätzlichen Informationen zu erfassen. In den Arbeitsspeicherverlust-Berichten werden der Dateiname und die Zeilennummer angezeigt, in der die Blöcke mit dem Arbeitsspeicherverlust belegt wurden. Releasebuilds verwenden weiterhin den Standardoperator new. Ein Beispiel für dieses Verfahren:

// debug_new.cpp
// compile by using: cl /EHsc /W4 /D_DEBUG /MDd debug_new.cpp
#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <cstdlib>
#include <crtdbg.h>

#ifdef _DEBUG
    #define DBG_NEW new ( _NORMAL_BLOCK , __FILE__ , __LINE__ )
    // Replace _NORMAL_BLOCK with _CLIENT_BLOCK if you want the
    // allocations to be of _CLIENT_BLOCK type
#else
    #define DBG_NEW new
#endif

struct Pod {
    int x;
};

void main() {
    Pod* pPod = DBG_NEW Pod;
    pPod = DBG_NEW Pod; // Oops, leaked the original pPod!
    delete pPod;

    _CrtDumpMemoryLeaks();
}

Wenn Sie diesen Code im Visual Studio-Debugger ausführen, generiert der Aufruf von _CrtDumpMemoryLeaks einen Bericht im Fenster Ausgabe, der in etwa wie folgt aussieht:

Detected memory leaks!
Dumping objects ->
c:\users\username\documents\projects\debug_new\debug_new.cpp(20) : {75}
 normal block at 0x0098B8C8, 4 bytes long.
 Data: <    > CD CD CD CD
Object dump complete.

Diese Ausgabe meldet, dass die zu einem Speicherverlust führende Belegung in Zeile 20 der Datei debug_new.cpp erfolgte.

Hinweis

Es wird nicht empfohlen, ein Präprozessormakro mit dem Namen new oder einem anderen Programmiersprachen-Schlüsselwort zu erstellen.

Festlegen von Haltepunkten für eine Speicherbelegungsnummer

Die Speicherbelegungsnummer gibt Aufschluss darüber, wann ein Speicherblock mit Arbeitsspeicherverlust belegt wurde. Ein Block mit der Speicherbelegungsnummer 18 ist z. B. der 18. Speicherblock, der während der Ausführung der App belegt wurde. Im CRT-Bericht werden alle Speicherblockbelegungen während der Ausführung gezählt, einschließlich der Belegungen durch die CRT-Bibliothek und andere Bibliotheken wie MFC. Daher ist Speicherbelegungsblock Nummer 18 wahrscheinlich nicht der 18. Speicherblock, der von Ihrem Code zugewiesen wird.

Sie können die Speicherbelegungsnummer verwenden, um einen Haltepunkt für die Speicherbelegung festzulegen.

So legen Sie einen Haltepunkt für die Speicherbelegung im Überwachungsfenster fest

Legen Sie einen Haltepunkt am Anfang der App fest, und starten Sie das Debuggen.
Wenn die App am Haltepunkt angehalten wird, öffnen Sie ein Fenster Überwachung, indem Sie Debuggen>Fenster>Überwachen 1 (bzw. Überwachen 2, Überwachen 3 oder Überwachen 4) auswählen.
Geben Sie im Fenster Überwachung in der Spalte Name _crtBreakAlloc ein.

Bei Verwendung der Multithread-DLL-Version der CRT-Bibliothek (/MD-Option) fügen Sie den Kontextoperator hinzu: {,,ucrtbased.dll}_crtBreakAlloc

Stellen Sie sicher, dass Debugsymbole geladen sind. _crtBreakAlloc Andernfalls wird als nicht identifiziert gemeldet.
Drücken Sie die EINGABETASTE.

Der Debugger wertet den Aufruf aus und gibt das Ergebnis in der Spalte Wert aus. Dieser Wert ist -1 , wenn Sie keine Haltepunkte für Speicherzuweisungen festgelegt haben.
Ersetzen Sie den Wert in der Spalte Wert durch die Nummer der Speicherbelegung, bei der die Unterbrechung durch den Debugger erfolgen soll.

Nachdem Sie einen Haltepunkt für eine Speicherbelegungsnummer festgelegt haben, fahren Sie mit dem Debuggen fort. Stellen Sie sicher, dass die Ausführung unter denselben Bedingungen erfolgt, damit sich die Speicherbelegungsnummer nicht ändert. Wenn das Programm bei der angegebenen Speicherbelegung unterbrochen wird, prüfen Sie im Fenster Aufrufliste und in anderen Debuggerfenstern, unter welchen Bedingungen der Speicher belegt wurde. Anschließend können Sie die Ausführung fortsetzen, um zu beobachten, was mit dem Objekt geschieht, und festzustellen, warum es nicht ordnungsgemäß freigegeben wird.

Das Festlegen eines Datenhaltepunkts für das Objekt kann auch hilfreich sein. Weitere Informationen finden Sie unter Verwenden von Haltepunkten.

Sie können auch Speicherbelegungshaltepunkte im Code festlegen. Sie können folgende Einstellungen vornehmen:

_crtBreakAlloc = 18;

oder:

_CrtSetBreakAlloc(18);

Vergleichen von Speicherzuständen

Ein weiteres Verfahren zum Ermitteln von Speicherverlusten besteht darin, zu bestimmten Zeitpunkten Momentaufnahmen von Speicherzuständen der Anwendung aufzuzeichnen. Um eine Momentaufnahme des Speicherzustands an einem bestimmten Punkt in der Anwendung aufzuzeichnen, erstellen Sie eine _CrtMemState-Struktur, die Sie dann an die _CrtMemCheckpoint-Funktion übergeben.

_CrtMemState s1;
_CrtMemCheckpoint( &s1 );

Durch die _CrtMemCheckpoint-Funktion wird eine Momentaufnahme des aktuellen Speicherzustands in die Struktur eingefügt.

Um den Inhalt einer _CrtMemState-Struktur auszugeben, übergeben Sie die Struktur an die _ CrtMemDumpStatistics-Funktion:

_CrtMemDumpStatistics( &s1 );

_CrtMemDumpStatistics gibt ein Speicherabbild des Speicherzustands aus, das wie folgt aussieht:

0 bytes in 0 Free Blocks.
0 bytes in 0 Normal Blocks.
3071 bytes in 16 CRT Blocks.
0 bytes in 0 Ignore Blocks.
0 bytes in 0 Client Blocks.
Largest number used: 3071 bytes.
Total allocations: 3764 bytes.

Um festzustellen, ob in einem Codeabschnitt ein Arbeitsspeicherverlust aufgetreten ist, können Sie Momentaufnahmen des Speicherzustands vor und nach dem Abschnitt erstellen und die beiden Zustände anschließend mithilfe von _CrtMemDifference vergleichen:

_CrtMemCheckpoint( &s1 );
// memory allocations take place here
_CrtMemCheckpoint( &s2 );

if ( _CrtMemDifference( &s3, &s1, &s2) )
   _CrtMemDumpStatistics( &s3 );

_CrtMemDifference vergleicht die Speicherzustände s1 und s2 und gibt in (s3) ein Ergebnis zurück, das die Differenz zwischen s1 und s2 darstellt.

Eine Methode zum Suchen nach Arbeitsspeicherverlusten besteht darin, zunächst _CrtMemCheckpoint-Aufrufe am Anfang und Ende der App einzufügen und anschließend mit _CrtMemDifference die Ergebnisse zu vergleichen. Wenn _CrtMemDifference einen Arbeitsspeicherverlust anzeigt, können Sie weitere _CrtMemCheckpoint-Aufrufe hinzufügen, um das Programm anhand einer Binärsuche aufzuteilen, bis Sie die Quelle des Verlusts gefunden haben.

Falsch positive Ergebnisse

_CrtDumpMemoryLeaks kann falsche Hinweise auf Arbeitsspeicherverluste geben, wenn eine Bibliothek interne Zuordnungen als normale Blöcke statt als CRT-Blöcke oder Client-Blöcke kennzeichnet. In diesem Fall kann _CrtDumpMemoryLeaks den Unterschied zwischen Benutzerspeicherbelegungen und internen Bibliotheksspeicherbelegungen nicht erkennen. Wenn die globalen Destruktoren für die Bibliotheksspeicherbelegungen nach dem Punkt ausgeführt werden, an dem _CrtDumpMemoryLeaksaufgerufen wird, wird jede interne Bibliotheksspeicherbelegung als Arbeitsspeicherverlust angezeigt. In früheren Versionen der Standardvorlagenbibliothek (vor Visual Studio .NET) werden unter Umständen von _CrtDumpMemoryLeaks derartige falsch positive Ergebnisse ausgegeben.

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