C++:谁动了我的指针

2019-11-17 05:03:26

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供稿：网友

译者序：　　本文介绍了一种在调试过程中寻找悬挂指针（野指针）的方法，这种方法是通过对new和delete运算符的重载来实现的。

　　这种方法不是完美的，它是以调试期的内存泄露为代价来实现的，因为文中出现的代码是绝不能出现在一个最终发布的软件产品中的，只能在调试时使用。　　在VC中，在调试环境下，可以简单的通过把new替换成DEBUG_NEW来实现功能更强更方便的指针检测，详情可参考MSDN。DEBUG_NEW的实现思路与本文有相通的地方，因此文章中介绍的方法虽然不是最佳的，但还算实用，更重要的是，它提供给我们一种新的思路。

简介：　　前几天发生了这样一件事，我正在调试一个程序，这个程序用了一大堆乱七八糟的指针来处理一个链表，最终在一个指向链表结点的指针上出了问题。我们预计它应当指向的是一个虚基类的对象。我想到第一个问题是：指针所指的地方真的有一个对象吗？出问题的指针值可以被4整除，并且不是NULL的，所以可以断定它曾经是一个有效的指针。通过使用Visual Studio的内存查看窗口（View->Debug Windows->Memory）我们发现这个指针所指的数据是FE EE FE EE FE EE ...这通常意味着内存是曾经是被分配了的，但现在却处于一种未分配的状态。不知是谁、在什么地方把我的指针所指的内存区域给释放掉了。我想要找出一种方案来查出我的数据到底是怎么会被释放的。

背景：
　　我最终通过重载了new和delete运算符找到了我丢失的数据。当一个函数被调用时，参数会首先被压到栈上后，然后返回地址也会被压到栈上。我们可以在new和delete运算符的函数中把这些信息从栈上提取出来，帮助我们调试程序。

代码：
　　在经历了几次错误的猜测后，我决定求助于重载new和delete运算符来帮我找到我的指针所指向的数据。下面的new运算符的实现把返回地址从栈上提了出来。这个返回地址位于传递过来的参数和第一个局部变量的地址之间。编译器的设置、调用函数的方法、计算机的体系结构都会引响到这个返回地址的实际位置，所以您在使用下面代码的时候，要根据您的实际情况做一些调整。一旦new运算符获得了返回地址，它就在将要实际分配的内存前面分配额外的16个字节的空间来存放这个返回地址和实际的分配的内存大小，并且把实际要分配的内存块首地址返回。　　对于delete运算符，你可以看到，它不再释放空间。它用与new同样的方法把返回地址提取出来，写到实际分配空间大小的后面（译者注：就是上面分配的16个字节的第9到第12个字节），在最后四个字节中填上DE AD BE EF（译者注：四个十六进制数，当成单词来看正好是dead beef，用来表示内存已释放真是很形象！），并且把剩余的空间（译者注：就是原本实际应该分配而现在应该要释放掉的空间）都填上一个重复的值。　　现在，假如程序由于一个错误的指针而出错，我只需打开内存查看窗口，找到出错的指针所指的地方，再往前找16个字节。这里的值就是调用new运算符的地址，接下来四个字节就是实际分配的内存大小，第三个四个字节是调用delete运算符的地址，最后四个字节应该是DE AD BE EF。接下的实际分配过的内存内容应该是77 77 77 77。　　要通过这两个返回地址在源程序中分别找到对应的new和delete，可以这样做：首先把表示地址的四个字节的内容倒序排一下，这样才能得到真正的地址，这里因为在Intel平台上字节序是低位在前的。下一步，在源代码上右击点击，选“Go To Diassembly”。在反汇编的窗口上的左边一栏就是机器代码对应的内存地址。按Ctrl + G或选择Edit->Go To...并输入你找到的地址之一。反汇编的窗口就将滚动到对应的new或delete的函数调用位置。要回到源程序只需再次右键单击，选择“Go To Source”。您就可以看到相应的new或delete的调用了。

更多内容请看C/C++技术专题专题，或　　现在您就可以很方便的找出您的数据是何时丢失的了。至于要找出为什么delete会被调用，就要靠您自己了。

　　#include <MALLOC.H>

　　void * :perator new(size_t size)

　　{
　　　　int stackVar;
　　　　unsigned long stackVarAddr = (unsigned long)&stackVar;
　　　　unsigned long argAddr = (unsigned long)&size;

　　　　void ** retAddrAddr = (void **)(stackVarAddr/2 + argAddr/2 + 2);

　　　　void * retAddr = * retAddrAddr;

　　　　unsigned char *retBuffer = (unsigned char*)malloc(size + 16);

　　　　memset(retBuffer, 0, 16);

　　　　memcpy(retBuffer, &retAddr, sizeof(retAddr));

　　　　memcpy(retBuffer + 4, &size, sizeof(size));

　　　　return retBuffer + 16;
　　}

　　void :perator delete(void *buf)
　　{
　　　　int stackVar;
　　　　if(!buf)
　　　　　　return;

　　　　unsigned long stackVarAddr = (unsigned long)&stackVar;
　　　　unsigned long argAddr = (unsigned long)&buf;

　　　　void ** retAddrAddr = (void **)(stackVarAddr/2 + argAddr/2 + 2);

　　　　void * retAddr = * retAddrAddr;

　　　　unsigned char* buf2 = (unsigned char*)buf;

　　　　buf2 -= 8;

　　　　memcpy(buf2, &retAddr, sizeof(retAddr));

　　　　size_t size;

　　　　buf2 -= 4;

　　　　memcpy(&size, buf2, sizeof(buf2));

　　　　buf2 += 8;

　　　　buf2[0] = 0xde;
　　　　buf2[1] = 0xad;
　　　　buf2[2] = 0xbe;
　　　　buf2[3] = 0xef;

　　　　
　　　　buf2 += 4;

　　　　memset(buf2, 0x7777, size);

　　　　// deallocating destroys saved addresses, so dont
　　　　// buf -= 16;
　　　　// free(buf);
　　}

其它值得关注的地方：　　这段代码同样可以用于内存泄露的检测。只需修改delete运算符使它真正的去释放内存，并且在程序退出前，用__heapwalk遍历所有已分配的内存块并把调用new的地址提取出来，这就将得到一份没有被delete匹配的new调用列表。　　还要注重的是：这里列出的代码只能在调试的时候去使用，假如你把它段代码放到最终的产品中，会导致程序运行时内存被大量的消耗。

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