很多實時嵌入式設(shè)備是長時間不間斷運行的，即使是少許的內(nèi)存泄漏，也會積少成多，對嵌入式系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的影響。這幾天，我在嵌入式軟件項目中就飽嘗到這個痛苦，讓我明白到嵌入式實時系統(tǒng)的應(yīng)用軟件也會有許多內(nèi)存問題，從而導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的崩潰。例如非法的內(nèi)存訪問、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。我所負責(zé)的嵌入式應(yīng)用程序也是在Windows CE平臺上開發(fā)的。在進入測試階段中，我發(fā)現(xiàn)有一個程序模塊系統(tǒng)內(nèi)存和CPU資源消耗急劇增加，持續(xù)增長到出現(xiàn)OutOfMemoryError為止，然后自動重啟。這個問題折騰到我生不如死，痛苦不堪。花了我好幾個通宵達旦的加班后，經(jīng)過分析終于確認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發(fā)過程中遇到的內(nèi)存泄漏的檢測和處理解決過程。

一.Windows CE如何進行內(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共識，就是如果評選在Windows CE 程序中遇到最多的問題，那其中一個問題一定有內(nèi)存問題。

(1)什么是Windows CE內(nèi)存管理

一般來說，運行Windows CE的嵌入式設(shè)備出于緊湊型的考慮內(nèi)存都不大，以至于有時候有些程序員會為了節(jié)省內(nèi)存開支而犧牲程序的某些性能。但盡管WinCE系統(tǒng)的內(nèi)存很小，用來管理內(nèi)存的函數(shù)卻十分完善。Windows CE實現(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)存保護功能的32位地址空間，這一點對于多程序和多線程運行時是非常重要的功能。但是Windows CE畢竟是被設(shè)計來應(yīng)用于實時場合的，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上直接運行，也可以加載到內(nèi)存中運行。Flash的運行方式，是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到Flash上，系統(tǒng)啟動時從Flash的某個地址開始執(zhí)行。在這種情況下，Windows CE系統(tǒng)就像直接讀硬盤，存儲在Flash上的程序能夠以現(xiàn)場執(zhí)行的方式運行。這種能力對小型系統(tǒng)來說使之在具有巨大的優(yōu)勢，這樣這能快速啟動一個應(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)啟動時讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(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實現(xiàn)按需調(diào)頁的虛擬內(nèi)存機制。由于Windows CE系統(tǒng)使用了虛擬內(nèi)存，這就給應(yīng)用程序造成了一個假象，以為計算機安裝的內(nèi)存遠遠超過自己所需要的數(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程和系統(tǒng)使用，每個部分可以獲得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 實現(xiàn)了系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存管理，在一個虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，應(yīng)用程序主要處理這個虛擬的地址空間，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)存頁可以處在三種狀態(tài)：自由(free)，保留(reserved)，或被提交(committed)。

簡單說，就是當(dāng)一個應(yīng)用程序要查詢系統(tǒng)的內(nèi)存時，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)存頁面。例如，頁面可以保留，提交給物理內(nèi)存，或使用這些函數(shù)釋放。Windows CE實現(xiàn)了Win32的GetSystemInfo和GlobalMemoryStatus函數(shù)。另一個檢測系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)是：void GlobalMemoryStatus(LPMEMORYSTATUS lpmst)，通過GlobalMemoryStatus返回的信息可以驗證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間后會產(chǎn)生碎片。當(dāng)堆里已經(jīng)清空的時候，仍然會占用大量的虛擬內(nèi)存頁，因為系統(tǒng)不能在堆中內(nèi)存頁沒有完全釋放的時候回收這些頁。這時，一般情況下是可以通過調(diào)用VirtualFree來取消提交，或釋放虛擬內(nèi)存。從物理RAM頁中取消提交或者取消映射，但是保持頁被保留的狀態(tài)，當(dāng)在區(qū)域中的所有的頁通過VirtualFree被釋放時，也應(yīng)該處在同樣的情況下。更確切地說，區(qū)域中的全部頁要被釋放，那這些頁要么都是被提交的頁，要么都是被保留的頁。如果有些頁被提交，有些頁被保留，那么VirtualFree函數(shù)調(diào)用就會失敗。

實際上，Windows CE會監(jiān)視系統(tǒng)自由的內(nèi)存，并對越來越少的內(nèi)存作出響應(yīng)。當(dāng)很少內(nèi)存可用時，Windows CE首先發(fā)送WM_HIBERNATE消息，接下來會限制可能的內(nèi)存分配。當(dāng)應(yīng)用程序被發(fā)送了一個WM_HIBERNATE消息后，系統(tǒng)將檢測內(nèi)存級別，確認是否可用內(nèi)存在限度之上，如果可用內(nèi)存不足，WM_HIBERNATE消息將被發(fā)送給下一個程序，這會持續(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編程中常見內(nèi)存錯誤:①內(nèi)存分配錯誤;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行過程中申請的內(nèi)存，在程序結(jié)束時沒有被釋放。我們常說的內(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。一般來說，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，我們就說這塊內(nèi)存泄漏了。

一般來說，在所有時刻Windows CE內(nèi)存管理器都知道進程所擁有的物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存。然而，如果進程分配內(nèi)存時但由于Bug而無法釋放內(nèi)存(內(nèi)存泄漏)，內(nèi)存管理器就可能無法了解這些已分配的內(nèi)存，也無法重新訪問這些內(nèi)存，而必須等到進程退出時回收內(nèi)存。但需要特別注意的是，同樣的程序在Window XP平臺上可能沒有什么問題，但在缺乏內(nèi)存的Windows CE平臺，經(jīng)過長時間運行該程序可能會內(nèi)存耗盡而導(dǎo)致系統(tǒng)重啟，這是我在經(jīng)過幾個生不如死的通宵達旦測試后得到的寶貴經(jīng)驗和教訓(xùn)。

因此，內(nèi)存泄漏引發(fā)的性能失常完全不同于程序錯誤，這些問題很難通過調(diào)試器對代碼進行單步調(diào)試加以解決。對于將會在某時刻退出的桌面應(yīng)用程序，較小的內(nèi)存泄漏是可以承受的，因為退出進程將把占用的所有內(nèi)存返還給操作系統(tǒng)。但對于長時間運行的嵌入式系統(tǒng)，則通常需要確保絕對沒有內(nèi)存泄漏。

(2)常見的內(nèi)存泄漏原因

常見的內(nèi)存泄漏有這幾種原因:①Windows CE內(nèi)存碎片。②在局部堆申請的堆只增加不會馬上減少，直到程序退出。③程序運行時分配物理內(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)存不足時分頁內(nèi)存交換到分頁文件中，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，一般有兩個步驟：第一是安排有經(jīng)驗的編程人員對代碼進行走查和分析，找出內(nèi)存泄漏發(fā)生的位置。第二是使用專門的內(nèi)存泄漏測試工具進行測試。

(1)代碼走讀檢測內(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。一般說來，一個正常的系統(tǒng)在其運行穩(wěn)定后其內(nèi)存的占用量是基本穩(wěn)定的，不應(yīng)該是無限制的增長的。根據(jù)這樣的基本假設(shè)，我們持續(xù)地觀察系統(tǒng)運行時使用的內(nèi)存的大小，如果內(nèi)存的大小持續(xù)地增長，則說明系統(tǒng)存在內(nèi)存泄漏。

內(nèi)存泄漏可通過代碼走讀來發(fā)現(xiàn)和定位，也可以用專用的工具來測試和定位。實際上，對于內(nèi)存泄漏，代碼檢查有時能比采用任何技術(shù)解決方案更快地找到問題所在。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，必須將每個申請的內(nèi)存都釋放。

(2)使用工具檢測內(nèi)存泄漏

一旦知道確實發(fā)生了內(nèi)存泄漏，就需要更專業(yè)的工具來查明為什么會發(fā)生泄漏。在這個時候，我們通常需要使用一些開銷較低的工具來監(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。

檢測內(nèi)存泄漏的關(guān)鍵是要能截獲住對分配內(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)束的時候，list中剩余的指針就是指向那些沒有被釋放的內(nèi)存。哪么，最簡單的內(nèi)存泄漏檢測方式就是截獲住這些指針。

審核編輯：湯梓紅