一個動態內存管理模塊的實現

引言

當前，絕大多數嵌入式平臺上的軟件都采用C語言編寫。除了代碼簡潔、運行高效之外，靈活操作內存的能力更是C語言的重要特色。然而，不恰當的內存操作通常也是錯誤的根源之一。如“內存泄漏” ――不能正確地釋放已分配的動態內存，就是一種非常難于檢測的存錯誤。持續的內存泄漏會使程序性能下降到最終完全不能運行，進而影響到所有其它有動態內存需求的程序，在某些相對簡單的嵌入式平臺上甚至會妨礙操作系統的運轉。再如“寫內存越界”，一種不合法的寫內存操作，極可能破壞到本程序中正在使用的其它數據，嚴重的時候還可能對其它正在運行的程序甚至整個系統造成影響。為此，本文介紹一個增強的、可定制的動態內存管理模塊（以下不妨簡稱Fense），在 C語言提供的內存分配函數基礎上，增加了對動態內存的管理功能；能記錄軟件運行過程中出現的內存泄漏信息，同時也具一定的監測內存操作的能力；可以發現絕大多數對動態內存的寫越界錯誤。

1 Fense的設計原理

Fense 通過設立一個雙向鏈表（struct Head *stHead）來保存所有被分配的動態內存塊的信息。鏈表中的每個節點對應一個動態內存塊，節點中包括此內存大小、分配發生時所在的源文件名和行號以及被釋放的時候，Fense又從st_Head中刪除之，檢查st_Head中的節點即可得到未被釋放的本節點的數值校驗和等。Fense將每一個分配的動態內存塊插入到鏈表st_Head中；當此內存放內存塊信息。鏈表節點結構定義如下：

struct Head{

char file; /分配所在源文件名*/

unsigned long line; /*分配所在的行號*/

size_t size; /*分配的內存大小*/

int checksum; /*鏈表節點校驗和*/

struct Head prev,next; /*雙鏈表的前后節點指針*/

}；

/*全局的雙向鏈表*/

struct Head *st_Head=NULL;

為了檢測寫越界的錯誤，Fense在用戶申請的內存前后各增加了一定大小的內存作為監測區域，并初始化成預定值。這樣，當程序發生越界寫操作時，預定值就會發生改變，Fense即可檢測到錯誤。

通過Fense分配到的動態內存結構如圖1所示。由此可知，Fense_Malloc(Fense的內存分配函數)返回給用戶的指針ptr指向的是用戶申請內存區域的起始位置。鏈表節點、前/后監測區域均為Fense內部使用，是用戶不可見的。

2 用戶定制選項

Fense有5組宏定義提供給用戶對功能進行定制。各組選項控制意義如下：

WARN_ON_ZERO_MALLOC 用戶申請零分配空間時警告信息。

FILL_ON_MALLOC 分配時初始化內存塊

FILL_ON_MALLOC_VAL 分配初始化時的預設值

FILL_ON_FREE 釋放時填充內存塊

FILL_ON_FREE_VAL 釋放時填充內存塊的預設值

以上4個選項的主要功能是初始化剛分配到的內存和剛被釋放的內存為預設值，盡可能地避免出現因使用未初始經的內存而引發的錯誤。

FENSE_FRONT_SIZE 定義前監測區域大小

FENSE_FRONT_VAL 定義前監測區域的預設值

FENSE_END_SIZE 定義后監測區域大小

FENSE_END_VAL 定義后監測工域的預設值

在Fense 工作過程中，對內存越界寫操作的檢驗是通過比較監測區域的當前值與本監測區域的預設值來確定的。顯然不能排除這樣一種可能：即發生在監測區域的越界寫操作寫入的數值與監測區域的預設值恰好相同，此時，Fense無法發現錯誤的發生。對于這種情況，用戶可以通過更改監測區域預設值（FENSE_FRONT_VAL和FENSE_END_VAL）和監測區域大小（FENSE_FRONT_SIZE和FENSE_END_SIZE）為多組不同的值來反復測試，這樣就可以大幅度地提高監測的準確性。

VALIDATE_FREE

free是檢查本內存塊是否在鏈表中

CHECK_ALL_MEMORY_ON_FREE

free時檢查鏈表中的所有內存塊

由于存在這樣一種情況：對內存塊A的寫操作出現了越界錯誤，寫到了另一內存塊B的區域內。此時，僅僅檢查內存塊A的有效性就無法發現問題，如果同時檢查所有的動態內存塊，則有可能發現錯誤所在。以上選項即為此而設。

FENSE_LOCK 獲取對鏈表st_Head的操作權

FENSE_UNLOCK 釋放對鏈表st_Head的操作權

考慮到的在多線程環境中，可能有多個線程同時用Fense進行內存管理，而Fense使用的鏈表st_Head是全局變量，因此提供了以上2個宏來實現對 st_Head的互斥訪問。宏的具體定義依賴于用戶所在的軟件環境，用戶可自行實現。對于單線程系統，僅需將這2個宏定義為空即可。

為便于使用，Fense的頭文件中還包括了以下定義，使得用戶基本不用改動現有的源代碼就可引入Fense。

#define malloc(size) Fense_Malloc(size,_FILE_,_LINE_)

#define free(ptr) Fense_Free(ptr,_FILE_,_LINE_)

#define realloc(ptr,new_size) Fense_Realloc(ptr,new_size,_FILE_,_LINE_)

#define colloc(num,size) Fense_Calloc(num,size,_FILE_,_LINE_)

3 運行時控制

Fense 監測內存的功能可以在運行動態地開關。此功能通過將全局變量st_Disbaled賦值為零或非零來實現。在調試過程中，可以在調試器中即時修改 st_Disabled的值來控制Fense的行為，省去了重編譯源代碼的需要。對于那些需要大量編譯時間的大型工程或交叉平臺開發的軟件項目來說，這是非常有利的。

4 Fense的具體實現

Fense 提供Fense_Malloc、Fense_Free、Fense_Realloc及Fense_Calloc等內存管理函數，功能和調用形式與C語言中的malloc、free、realloc和calloc保持一致。限于篇幅，這里僅對Fense_Malloc和Fense_Free的實現過程做一個簡單描述，具體實現請見本刊網絡補充版。http://www.dpj.com.cn

/*內存分配函數*/

void *Fense_Malloc(size_t size,char *file,unsigned long line)

{

//檢查Fense的運行時開關，如果Fense被關閉，則調用malloc

//分配并返回

//檢查是否零分配，如有則提示警告信息后返回0（用戶定制選項）

//分配內存，包括鏈表節點區域和前/后監測區域

//初始化鏈表節點，保存分配內存的信息，包括分配的大小、所在文件名和行號

//將此節點插入鏈表st_Head

//為本節點區域計算校驗和

//用預設值初始化前/后監測區域

//用預設值填充用戶內存區域（用戶定制選項）

//返回用戶內存區域的起始位置

}

/*內存釋放函數*/

void Fense_Free(void *uptr,char *file,unsigned long line)

{

//檢查Fense的運行時開關，如果Fense初關閉，則調用free釋譯并返回

//檢查所有Fense管理下的動態內存（用戶定制選項）

//判斷當前內存塊是否在鏈表st_Head中，如果不在則提示

//警靠信息，退出（用戶定制選項）

//檢查當前內存塊是否存在越界操作

//將當前內存塊的相應的鏈表節點從st_Head中刪除

//重新計算當前節點的前后相鄰節點的校驗和

//用預設值填充被釋放的內存區（用戶定制選項）

//調用free釋放當前的內存塊

}

（文中代碼在Visual C++6.0、Borland C++ 3.1及CrossCode C 7.4環境中編譯通過）

結束語

作為對C程序運行時的內存錯誤進行監測的代碼模塊，Fense能發現幾乎所有的內存泄漏和絕大多數的越界操作，并盡可能地記錄了改正程序錯誤所需要的信息；有效地減少了程序設計人員的調試時間，在實際嵌入式產品開發中取得了很好的效果。