很多實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)備是長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行的，即使是少許的內(nèi)存泄漏，也會(huì)積少成多，對(duì)嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)災(zāi)難性的影響。這幾天，我在嵌入式軟件項(xiàng)目中就飽嘗到這個(gè)痛苦，讓我明白到嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件也會(huì)有許多內(nèi)存問(wèn)題，從而導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的崩潰。例如非法的內(nèi)存訪問(wèn)、各種死鎖以及諸如堆棧溢出、數(shù)組越界和內(nèi)存泄漏等

Windows CE作為最流行的一種嵌入式操作系統(tǒng)，現(xiàn)正廣泛被應(yīng)用。我所負(fù)責(zé)的嵌入式應(yīng)用程序也是在Windows CE平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的。在進(jìn)入測(cè)試階段中，我發(fā)現(xiàn)有一個(gè)程序模塊系統(tǒng)內(nèi)存和CPU資源消耗急劇增加，持續(xù)增長(zhǎng)到出現(xiàn)OutOfMemoryError為止，然后自動(dòng)重啟。這個(gè)問(wèn)題折騰到我生不如死，痛苦不堪?；宋液脦讉€(gè)通宵達(dá)旦的加班后，經(jīng)過(guò)分析終于確認(rèn)Windows CE內(nèi)存泄漏是造成這次Windows CE系統(tǒng)崩潰的主要原因。這里與大家分享我在開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的內(nèi)存泄漏的檢測(cè)和處理解決過(guò)程。

一.Windows CE如何進(jìn)行內(nèi)存分配?

為了判斷是否有內(nèi)存泄露，我們首先需要了解Windows CE是如何管理內(nèi)存的。許多嵌入式程序員都有一個(gè)共識(shí)，就是如果評(píng)選在Windows CE 程序中遇到最多的問(wèn)題，那其中一個(gè)問(wèn)題一定有內(nèi)存問(wèn)題。

(1)什么是Windows CE內(nèi)存管理

一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)行Windows CE的嵌入式設(shè)備出于緊湊型的考慮內(nèi)存都不大，以至于有時(shí)候有些程序員會(huì)為了節(jié)省內(nèi)存開(kāi)支而犧牲程序的某些性能。但盡管WinCE系統(tǒng)的內(nèi)存很小，用來(lái)管理內(nèi)存的函數(shù)卻十分完善。Windows CE實(shí)現(xiàn)了Windows XP中幾乎全部的Win32內(nèi)存管理API。例如，Windows CE支持虛擬內(nèi)存分配，本地和分離的堆管理，甚至還有內(nèi)存映射文件。像Windows XP一樣，Windows CE支持帶有應(yīng)用程序間內(nèi)存保護(hù)功能的32位地址空間，這一點(diǎn)對(duì)于多程序和多線程運(yùn)行時(shí)是非常重要的功能。但是Windows CE畢竟是被設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)用于實(shí)時(shí)場(chǎng)合的，所以它底層的內(nèi)存結(jié)構(gòu)又不同于Windows XP。

Windows CE內(nèi)核可以在Flash上直接運(yùn)行，也可以加載到內(nèi)存中運(yùn)行。Flash的運(yùn)行方式，是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到Flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從Flash的某個(gè)地址開(kāi)始執(zhí)行。在這種情況下，Windows CE系統(tǒng)就像直接讀硬盤，存儲(chǔ)在Flash上的程序能夠以現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行的方式運(yùn)行。這種能力對(duì)小型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)使之在具有巨大的優(yōu)勢(shì)，這樣這能快速啟動(dòng)一個(gè)應(yīng)用程序，因此這種方法被很多嵌入式系統(tǒng)所采用。另一種是內(nèi)核加載方式，是把內(nèi)核的壓縮文件存放在Flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開(kāi)始執(zhí)行。

(2)虛擬內(nèi)存和函數(shù)應(yīng)用

和大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)一樣，Windows CE實(shí)現(xiàn)按需調(diào)頁(yè)的虛擬內(nèi)存機(jī)制。由于Windows CE系統(tǒng)使用了虛擬內(nèi)存，這就給應(yīng)用程序造成了一個(gè)假象，以為計(jì)算機(jī)安裝的內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自己所需要的數(shù)量。Windows CE是32位的操作系統(tǒng)，因此支持4GB的虛擬地址空間。Windows把這些地址空間分給進(jìn)程和系統(tǒng)使用，每個(gè)部分可以獲得2GB的虛擬內(nèi)存。

虛擬內(nèi)存是內(nèi)存類型中最基礎(chǔ)的。Windows CE 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存管理，在一個(gè)虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，應(yīng)用程序主要處理這個(gè)虛擬的地址空間，并不涉及到由硬件管理的物理內(nèi)存。系統(tǒng)調(diào)用虛擬內(nèi)存API來(lái)為其它類型內(nèi)存分配內(nèi)存，包括堆和棧。Windows CE虛擬內(nèi)存頁(yè)可以處在三種狀態(tài)：自由(free)，保留(reserved)，或被提交(committed)。

簡(jiǎn)單說(shuō)，就是當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序要查詢系統(tǒng)的內(nèi)存時(shí)，可使用虛擬內(nèi)存API，包括VirtualAlloc，VirtualFree和VirtualReSize函數(shù)，這些函數(shù)可以直接操作虛擬內(nèi)存空間的虛擬內(nèi)存頁(yè)面。例如，頁(yè)面可以保留，提交給物理內(nèi)存，或使用這些函數(shù)釋放。Windows CE實(shí)現(xiàn)了Win32的GetSystemInfo和GlobalMemoryStatus函數(shù)。另一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)是：void GlobalMemoryStatus(LPMEMORYSTATUS lpmst)，通過(guò)GlobalMemoryStatus返回的信息可以驗(yàn)證Windows CE內(nèi)存結(jié)構(gòu)。

(3)釋放虛擬內(nèi)存

不同于Windows XP，Windows CE只支持在堆中分配固定(fixed)的塊。這簡(jiǎn)化了內(nèi)存塊在堆中的處理，但是這使得堆在分配和釋放一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生碎片。當(dāng)堆里已經(jīng)清空的時(shí)候，仍然會(huì)占用大量的虛擬內(nèi)存頁(yè)，因?yàn)橄到y(tǒng)不能在堆中內(nèi)存頁(yè)沒(méi)有完全釋放的時(shí)候回收這些頁(yè)。這時(shí)，一般情況下是可以通過(guò)調(diào)用VirtualFree來(lái)取消提交，或釋放虛擬內(nèi)存。從物理RAM頁(yè)中取消提交或者取消映射，但是保持頁(yè)被保留的狀態(tài)，當(dāng)在區(qū)域中的所有的頁(yè)通過(guò)VirtualFree被釋放時(shí)，也應(yīng)該處在同樣的情況下。更確切地說(shuō)，區(qū)域中的全部頁(yè)要被釋放，那這些頁(yè)要么都是被提交的頁(yè)，要么都是被保留的頁(yè)。如果有些頁(yè)被提交，有些頁(yè)被保留，那么VirtualFree函數(shù)調(diào)用就會(huì)失敗。

實(shí)際上，Windows CE會(huì)監(jiān)視系統(tǒng)自由的內(nèi)存，并對(duì)越來(lái)越少的內(nèi)存作出響應(yīng)。當(dāng)很少內(nèi)存可用時(shí)，Windows CE首先發(fā)送WM_HIBERNATE消息，接下來(lái)會(huì)限制可能的內(nèi)存分配。當(dāng)應(yīng)用程序被發(fā)送了一個(gè)WM_HIBERNATE消息后，系統(tǒng)將檢測(cè)內(nèi)存級(jí)別，確認(rèn)是否可用內(nèi)存在限度之上，如果可用內(nèi)存不足，WM_HIBERNATE消息將被發(fā)送給下一個(gè)程序，這會(huì)持續(xù)到所有程序被發(fā)送了WM_HIBERNATE消息。

二. 什么是內(nèi)存泄露

Win32編程中常見(jiàn)內(nèi)存錯(cuò)誤:①內(nèi)存分配錯(cuò)誤;②使用未初始化的內(nèi)存;③內(nèi)存泄露;④使用已經(jīng)釋放的內(nèi)存資源。

(1)什么是內(nèi)存泄漏

內(nèi)存泄漏是指程序在運(yùn)行過(guò)程中申請(qǐng)的內(nèi)存，在程序結(jié)束時(shí)沒(méi)有被釋放。我們常說(shuō)的內(nèi)存泄漏是指堆內(nèi)存的泄漏，堆內(nèi)存是指程序從堆中分配的。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用程序是使用從堆中分配到一塊內(nèi)存，使用完后程序必須負(fù)責(zé)相應(yīng)的釋放該內(nèi)存塊。否則，這塊內(nèi)存就不能被再次使用，我們就說(shuō)這塊內(nèi)存泄漏了。

一般來(lái)說(shuō)，在所有時(shí)刻Windows CE內(nèi)存管理器都知道進(jìn)程所擁有的物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存。然而，如果進(jìn)程分配內(nèi)存時(shí)但由于Bug而無(wú)法釋放內(nèi)存(內(nèi)存泄漏)，內(nèi)存管理器就可能無(wú)法了解這些已分配的內(nèi)存，也無(wú)法重新訪問(wèn)這些內(nèi)存，而必須等到進(jìn)程退出時(shí)回收內(nèi)存。但需要特別注意的是，同樣的程序在Window XP平臺(tái)上可能沒(méi)有什么問(wèn)題，但在缺乏內(nèi)存的Windows CE平臺(tái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行該程序可能會(huì)內(nèi)存耗盡而導(dǎo)致系統(tǒng)重啟，這是我在經(jīng)過(guò)幾個(gè)生不如死的通宵達(dá)旦測(cè)試后得到的寶貴經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

因此，內(nèi)存泄漏引發(fā)的性能失常完全不同于程序錯(cuò)誤，這些問(wèn)題很難通過(guò)調(diào)試器對(duì)代碼進(jìn)行單步調(diào)試加以解決。對(duì)于將會(huì)在某時(shí)刻退出的桌面應(yīng)用程序，較小的內(nèi)存泄漏是可以承受的，因?yàn)橥顺鲞M(jìn)程將把占用的所有內(nèi)存返還給操作系統(tǒng)。但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)，則通常需要確保絕對(duì)沒(méi)有內(nèi)存泄漏。

(2)常見(jiàn)的內(nèi)存泄漏原因

常見(jiàn)的內(nèi)存泄漏有這幾種原因:①Windows CE內(nèi)存碎片。②在局部堆申請(qǐng)的堆只增加不會(huì)馬上減少，直到程序退出。③程序運(yùn)行時(shí)分配物理內(nèi)存，當(dāng)程序使用完后，這些物理內(nèi)存仍然被占用，直到系統(tǒng)內(nèi)存不足時(shí)分頁(yè)內(nèi)存交換到分頁(yè)文件中，然后才釋放掉其占用的物理內(nèi)存。④Windows CE內(nèi)存管理的缺陷。

總而言之，內(nèi)存泄漏產(chǎn)生的主要原因是保留了卻不再使用的內(nèi)存空間。Windows CE雖然有自動(dòng)管理內(nèi)存的功能，但內(nèi)存泄漏也是不容忽視，它往往是破壞嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。

三. 如何檢測(cè)和處理內(nèi)存泄漏?

如何查找引起內(nèi)存泄漏的原因，一般有兩個(gè)步驟：第一是安排有經(jīng)驗(yàn)的編程人員對(duì)代碼進(jìn)行走查和分析，找出內(nèi)存泄漏發(fā)生的位置。第二是使用專門的內(nèi)存泄漏測(cè)試工具進(jìn)行測(cè)試。

(1)代碼走讀檢測(cè)內(nèi)存泄漏

通常在懷疑發(fā)生內(nèi)存泄漏之后，第一步是要弄清楚泄漏了什么數(shù)據(jù)和引起了什么泄漏。一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)正常的系統(tǒng)在其運(yùn)行穩(wěn)定后其內(nèi)存的占用量是基本穩(wěn)定的，不應(yīng)該是無(wú)限制的增長(zhǎng)的。根據(jù)這樣的基本假設(shè)，我們持續(xù)地觀察系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的內(nèi)存的大小，如果內(nèi)存的大小持續(xù)地增長(zhǎng)，則說(shuō)明系統(tǒng)存在內(nèi)存泄漏。

內(nèi)存泄漏可通過(guò)代碼走讀來(lái)發(fā)現(xiàn)和定位，也可以用專用的工具來(lái)測(cè)試和定位。實(shí)際上，對(duì)于內(nèi)存泄漏，代碼檢查有時(shí)能比采用任何技術(shù)解決方案更快地找到問(wèn)題所在。預(yù)防內(nèi)存泄漏的唯一方法就是要求程序員在程序結(jié)束時(shí)，必須將每個(gè)申請(qǐng)的內(nèi)存都釋放。

(2)使用工具檢測(cè)內(nèi)存泄漏

一旦知道確實(shí)發(fā)生了內(nèi)存泄漏，就需要更專業(yè)的工具來(lái)查明為什么會(huì)發(fā)生泄漏。在這個(gè)時(shí)候，我們通常需要使用一些開(kāi)銷較低的工具來(lái)監(jiān)控和查找內(nèi)存泄漏。查找內(nèi)存泄漏的工具很多，最常用的釋放工具就是dmalloc和mpatrol，這些工具提供了記錄并檢查所有內(nèi)存分配的調(diào)試版堆棧，從而有利于分析內(nèi)存泄漏和懸掛指針。

檢測(cè)內(nèi)存泄漏的關(guān)鍵是要能截獲住對(duì)分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存的函數(shù)的調(diào)用，當(dāng)截獲住這兩個(gè)函數(shù)，我們就能跟蹤每一塊內(nèi)存的生命周期。比如，每當(dāng)成功的分配一塊內(nèi)存后，就把它的指針加入一個(gè)全局的list中;每當(dāng)釋放一塊內(nèi)存，再把它的指針從list中刪除。這樣，當(dāng)程序結(jié)束的時(shí)候，list中剩余的指針就是指向那些沒(méi)有被釋放的內(nèi)存。哪么，最簡(jiǎn)單的內(nèi)存泄漏檢測(cè)方式就是截獲住這些指針。

審核編輯：湯梓紅