内存分配方式和调试机制

 

10. 内存分配方式和调试机制

     

    1. M内存分配

        

       1. 内存分配函数

MFCWin32或者C语言的内存分配API，有四种内存分配API可供使用。

 

1. Win32的堆分配函数

   每一个进程都可以使用堆分配函数创建一个私有的堆──调用进程地址空间的一个或者多个页面。DLL创建的私有堆必定在调用DLL的进程的地址空间内，只能被调用进程访问。

   HeapCreate用来创建堆；HeapAlloc用来从堆中分配一定数量的空间，HeapAlloc分配的内存是不能移动的；HeapSize可以确定从堆中分配的空间的大小；HeapFree用来释放从堆中分配的空间；HeapDestroy销毁创建的堆。

    

2. Windows传统的全局或者局部内存分配函数

   由于Win32采用平面内存结构模式，Win32下的全局和局部内存函数除了名字不同外，其他完全相同。任一函数都可以用来分配任意大小的内存（仅仅受可用物理内存的限制）。用法可以和Win16下基本一样。

   Win32下保留这类函数保证了和Win16的兼容。

    

3. C语言的标准内存分配函数

   C语言的标准内存分配函数包括以下函数：

   malloc，calloc，realloc，free，等。

   这些函数最后都映射成堆API函数，所以，malloc分配的内存是不能移动的。这些函数的调式版本为

   malloc_dbg，calloc_dbg，realloc_dbg，free_dbg，等。

    

4. Win32的虚拟内存分配函数

虚拟内存API是其他API的基础。虚拟内存API以页为最小分配单位，X86上页长度为4KB，可以用GetSystemInfo函数提取页长度。虚拟内存分配函数包括以下函数：

 

• LPVOID VirtualAlloc(LPVOID lpvAddress,

DWORD cbSize,

DWORD fdwAllocationType,

DWORD fdwProtect);

该函数用来分配一定范围的虚拟页。参数1指定起始地址；参数2指定分配内存的长度；参数3指定分配方式，取值MEM_COMMINT或者MEM_RESERVE；参数4指定控制访问本次分配的内存的标识，取值为PAGE_READONLY、PAGE_READWRITE或者PAGE_NOACCESS。

 

• LPVOID VirtualAllocEx(HANDLE process,

LPVOID lpvAddress,

DWORD cbSize,

DWORD fdwAllocationType,

DWORD fdwProtect);

该函数功能类似于VirtualAlloc，但是允许指定进程process。VirtaulFree、VirtualProtect、VirtualQuery都有对应的扩展函数。

 

• BOOL VirtualFree(LPVOID lpvAddress,

DWORD dwSize,

DWORD dwFreeType);

该函数用来回收或者释放分配的虚拟内存。参数1指定希望回收或者释放内存的基地址；如果是回收，参数2可以指向虚拟地址范围内的任何地方，如果是释放，参数2必须是VirtualAlloc返回的地址；参数3指定是否释放或者回收内存，取值为MEM_DECOMMINT或者MEM_RELEASE。

 

• BOOL VirtualProtect(LPVOID lpvAddress,

DWORD cbSize,

DWORD fdwNewProtect,

PDWORD pfdwOldProtect);

该函数用来把已经分配的页改变成保护页。参数1指定分配页的基地址；参数2指定保护页的长度；参数3指定页的保护属性，取值PAGE_READ、PAGE_WRITE、PAGE_READWRITE等等；参数4用来返回原来的保护属性。

 

• DWORD VirtualQuery(LPCVOID lpAddress,

PMEMORY_BASIC_INFORMATION lpBuffer,

DWORD dwLength

);

该函数用来查询内存中指定页的特性。参数1指向希望查询的虚拟地址；参数2是指向内存基本信息结构的指针；参数3指定查询的长度。

 

 

• BOOL VirtualLock(LPVOID lpAddress,DWORD dwSize);

该函数用来锁定内存，锁定的内存页不能交换到页文件。参数1指定要锁定内存的起始地址；参数2指定锁定的长度。

 

• BOOL VirtualUnLock(LPVOID lpAddress,DWORD dwSize);

参数1指定要解锁的内存的起始地址；参数2指定要解锁的内存的长度。

 

1. C++的new 和 delete操作符

MFC定义了两种作用范围的new和delete操作符。对于new，不论哪种，参数1类型必须是size_t，且返回void类型指针。

 

1. 全局范围内的new和delete操作符

   原型如下：

   void _cdecl ::operator new(size_t nSize);

   void __cdecl operator delete(void* p);

   调试版本：

   void* __cdecl operator new(size_t nSize, int nType,

   LPCSTR lpszFileName, int nLine)

    

2. 类定义的new和delete操作符

原型如下：

void* PASCAL classname::operator new(size_t nSize);

void PASCAL classname::operator delete(void* p);

类的operator new操作符是类的静态成员函数，对该类的对象来说将覆盖全局的operator new。全局的operator new用来给内部类型对象（如int）、没有定义operator new操作符的类的对象分配内存。

new操作符被映射成malloc或者malloc_dbg，delete被映射成free或者free_dbg。

 

1. 调试手段

   MFC应用程序可以使用C运行库的调试手段，也可以使用MFC提供的调试手段。两种调试手段分别论述如下。

    

   1. C运行库提供和支持的调试功能

C运行库提供和支持的调试功能如下：

 

1. 调试信息报告函数

   用来报告应用程序的调试版本运行时的警告和出错信息。包括：

   _CrtDbgReport 用来报告调试信息；

   _CrtSetReportMode 设置是否警告、出错或者断言信息；

   _CrtSetReportFile 设置是否把调试信息写入到一个文件。

    

2. 条件验证或者断言宏：

   断言宏主要有：

   assert 检验某个条件是否满足，不满足终止程序执行。

   验证函数主要有：

   _CrtIsValidHeapPointer 验证某个指针是否在本地堆中；

   _CrtIsValidPointer 验证指定范围的内存是否可以读写；

   _CrtIsMemoryBlock 验证某个内存块是否在本地堆中。

    

3. 内存（堆）调试：

malloc_dbg 分配内存时保存有关内存分配的信息，如在什么文件、哪一行分配的内存等。有一系列用来提供内存诊断的函数：

_CrtMemCheckpoint 保存内存快照在一个_CrtMemState结构中；

_CrtMemDifference 比较两个_CrtMemState；

_CrtMemDumpStatistics 转储输出一_CrtMemState结构的内容；

_CrtMemDumpAllObjectsSince 输出上次快照或程序开始执行以来在堆中分配的所有对象的信息；

_CrtDumpMemoryLeaks 检测程序执行以来的内存漏洞，如果有漏洞则输出所有分配的对象。

 

1. MFC提供的调试手段

MFC在C运行库提供和支持的调试功能基础上，设计了一些类、函数等来协助调试。

 

1. MFC的TRACE、ASSERT

   ASSERT

   使用ASSERT断言判定程序是否可以继续执行。

   TRACE

   使用TRACE宏显示或者打印调试信息。TRACE是通过函数AfxTrace实现的。由于AfxTrace函数使用了cdecl调用约定，故可以接受个数不定的参数，如同printf函数一样。它的定义和实现如下：

   void AFX_CDECL AfxTrace(LPCTSTR lpszFormat, ...)

   {

   #ifdef _DEBUG // all AfxTrace output is controlled by afxTraceEnabled

   if (!afxTraceEnabled)

   return;

   #endif

    

   //处理个数不定的参数

   va_list args;

   va_start(args, lpszFormat);

    

   int nBuf;

   TCHAR szBuffer[512];

    

   nBuf = _vstprintf(szBuffer, lpszFormat, args);

   ASSERT(nBuf < _countof(szBuffer));

    

   if ((afxTraceFlags & traceMultiApp) && (AfxGetApp() != NULL))

   afxDump << AfxGetApp()->m_pszExeName << ": ";

   afxDump << szBuffer;

    

   va_end(args);

   }

   #endif //_DEBUG

    

   在程序源码中，可以控制是否显示跟踪信息，显示什么跟踪信息。如果全局变量afxTraceEnabled为TRUE，则TRACE宏可以输出；否则，没有TRACE信息被输出。如果通过afxTraceFlags指定了跟踪什么消息，则输出有关跟踪信息，例如为了指定“Multilple Application Debug”，令AfxTraceFlags|=traceMultiApp。可以跟踪的信息有：

   enum AfxTraceFlags

   {

   traceMultiApp = 1, // multi-app debugging

   traceAppMsg = 2, // main message pump trace (includes DDE)

   traceWinMsg = 4, // Windows message tracing

   traceCmdRouting = 8, // Windows command routing trace

   //(set 4+8 for control notifications)

   traceOle = 16, // special OLE callback trace

   traceDatabase = 32, // special database trace

   traceInternet = 64 // special Internet client trace

   };

   这样，应用程序可以在需要的地方指定afxTraceEnabled的值打开或者关闭TRACE开关，指定AfxTraceFlags的值过滤跟踪信息。

   Visual C++提供了一个TRACE工具，也可以用来完成上述功能。

    

   为了显示消息信息，MFC内部定义了一个AFX_MAP_MESSAG类型的数组allMessages，储存了Windows消息和消息名映射对。例如：

   allMessages[1].nMsg = WM_CREATE,

   allMessages[1].lpszMsg = “WM_CREATE”

   MFC内部还使用函数_AfxTraceMsg显示跟踪消息，它可以接收一个字符串和一个MSG指针，然后，把该字符串和MSG的各个域的信息组合成一个大的字符串并使用AfxTrace显示出来。

   allMessages和函数_AfxTraceMsg的详细实现可以参见AfxTrace.cpp。

    

2. MFC对象内容转储

   对象内容转储是CObject类提供的功能，所有从它派生的类都可以通过覆盖虚拟函数DUMP来支持该功能。在讲述CObject类时曾提到过。

   虚拟函数Dump的定义：

   class ClassName : public CObject

   {

   public:

   #ifdef _DEBUG

   virtual void Dump( CDumpContext& dc ) const;

   #endif

   …

   };

   在使用Dump时，必须给它提供一个CDumpContext类型的参数，该参数指定的对象将负责输出调试信息。为此，MFC提供了一个预定义的全局CDumpContext对象afxDump，它把调试信息输送给调试器的调试窗口。从前面AfxTrace的实现可以知道，MFC使用了afxDump输出跟踪信息到调试窗口。

   CDumpContext类没有基类，它提供了以文本形式输出诊断信息的功能。

   例如：

   CPerson* pMyPerson = new CPerson;

   // set some fields of the CPerson object...

   //...

   // now dump the contents

   #ifdef _DEBUG

   pMyPerson->Dump( afxDump );

   #endif

    

3. MFC对象有效性检测

对象有效性检测是CObject类提供的功能，所有从它派生的类都可以通过覆盖虚拟函数AssertValid来支持该功能。在讲述CObject类时曾提到过。

虚拟函数AssertValid的定义：

class ClassName : public CObject

{

public:

#ifdef _DEBUG

virtual void AssertValid( ) const;

#endif

…

};

使用ASSERT_VALID宏判断一个对象是否有效，该对象的类必须覆盖了AssertValid函数。形式为：ASSERT_VALID(pObject)。

另外，MFC提供了一些函数来判断地址是否有效，如：

AfxIsMemoryBlock，AfxIsString，AfxIsValidAddress。

 

1. 内存诊断

MFC使用DEBUG_NEW来跟踪内存分配时的执行的源码文件和行数。

把#define new DEBUG_NEW插入到每一个源文件中，这样，调试版本就使用_malloc_dbg来分配内存。MFC Appwizard在创建框架文件时已经作了这样的处理。

 

1. AfxDoForAllObjects

   MFC提供了函数AfxDoForAllObjects来追踪动态分配的内存对象，函数原型如下：

   void AfxDoForAllObjects( void (*pfn)(CObject* pObject,

   void* pContext), void* pContext );

   其中：

   参数1是一个函数指针，AfxDoForAllObjects对每个对象调用该指针表示的函数。

   参数2将传递给参数1指定的函数。

   AfxDoForAllObjects可以检测到所有使用new分配的CObject对象或者CObject类派生的对象，但全局对象、嵌入对象和栈中分配的对象除外。

    

2. 内存漏洞检测

仅仅用于new的DEBUG版本分配的内存。

完成内存漏洞检测，需要如下系列步骤：

 

• 调用AfxEnableMemoryTracking(TRUE/FALSE)打开/关闭内存诊断。在调试版本下，缺省是打开的；关闭内存诊断可以加快程序执行速度，减少诊断输出。

   

• 使用MFC全局变量afxMemDF更精确地指定诊断输出的特征，缺省值是allocMemDF，可以取如下值或者这些值相或：

afxMemDF，delayFreeMemDF，checkAlwaysMemDF

其中：allocMemDF表示可以进行内存诊断输出；delayFreeMemDF表示是否是在应用程序结束时才调用free或者delete，这样导致程序最大可能的分配内存；checkAlwaysMemDF表示每一次分配或者释放内存之后都调用函数AfxCheckMemory进行内存检测（AfxCheckMemory检查堆中所有通过new分配的内存（不含malloc））。

这一步是可选步骤，非必须。

 

• 创建一个CMemState类型的变量oldMemState，调用CMemState的成员函数CheckPoint获得初次内存快照。

   

• 执行了系列内存分配或者释放之后，创建另一个CMemState类型变量newMemState，调用CMemState的成员函数CheckPoint获得新的内存快照。

   

• 创建第三个CMemState类型变量difMemState，调用CMemState的成员函数Difference比较oldMemState和newMemState，结果保存在变量difMemState中。如果没有不同，则返回FALSE，否则返回TRUE。

   

• 如果不同，则调用成员函数DumpStatistics输出比较结果。

例如：

// Declare the variables needed

#ifdef _DEBUG

CMemoryState oldMemState, newMemState, diffMemState;

oldMemState.Checkpoint();

#endif

 

// do your memory allocations and deallocations...

CString s = "This is a frame variable";

// the next object is a heap object

CPerson* p = new CPerson( "Smith", "Alan", "581-0215" );

 

#ifdef _DEBUG

newMemState.Checkpoint();

if( diffMemState.Difference( oldMemState, newMemState ) )

{

TRACE( "Memory leaked!/n" );

diffMemState.DumpStatistics();

//or diffMemState.DumpAllObjectsSince();

}

#endif

MFC在应用程序（调试版）结束时，自动进行内存漏洞检测，如果存在漏洞，则输出漏洞的有关信息。

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