第10章_内存分配方式和调试机制


第 10 章 内存分配方式和调试机制 10.1 M内存分配 10.1.1 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: z 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。 z 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。 z 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。 z 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。 z 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。 z 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。 z 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。 10.1.2 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。 10.2 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。 10.2.1 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。 10.2.2 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。 10.2.3 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: z 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。 z 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。 z 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。 z 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。 z 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。 z 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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xwsn007

贡献于2012-12-19

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