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前言
在嵌入式系统开发中，内存泄漏是一个常见且难以调试的问题。特别是在资源受限的物联网或单片机设备中，即使是微小的内存泄漏，长期运行后也可能导致系统崩溃。世面上有Valgrind、AddressSanitizer等强大的工具，但对于资源受限的嵌入式设备，这些工具往往过于庞大或无法使用，而手动检查又效率低下。
为此，我们本文将介绍一种轻量级的内存泄露检测算法，专为RTOS环境设计，它能够在资源受限的环境中实时监测内存使用情况，准确识别内存泄漏和错误操作。本文将详细介绍该检测器的核心架构、使用方法和实际测试效果。
一、监测核心算法架构
1.1：算法架构图
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ 应用程序代码 │ │ 内存检测拦截宏 │ │ 拦截宏内重新调用 │
│ │ │ │ │ │
│ malloc() │───▶│ ml_malloc() │───▶│ malloc() │
│ free() │───▶│ ml_free() │───▶│ free() │
│ calloc() │───▶│ ml_calloc() │───▶│ calloc() │
│ realloc() │───▶│ ml_realloc() │───▶│ realloc() │
└─────────────────┘ └─────────────────┘ └─────────────────┘
│
▼
┌─────────────────┐
│ 内存记录链表 │
│ - 分配地址 │
│ - 分配大小 │
│ - 文件位置 │
│ - 行号信息 │
│ - 时间戳 │
└─────────────────┘
1.2：关键设计理念
- 拦截层：通过宏替换拦截所有内存操作函数
- 记录层：维护分配记录链表，保存完整的上下文信息
- 分析层：实时分析内存使用情况，检测泄漏和错误
- 报告层：提供多种输出方式（日志、文件、统计信息）
二、链表记录算法实现原理
2.1：宏拦截机制
// 条件编译控制，避免循环引用
#ifdef MEMORY_LEAK_USER_OPERATE
#define malloc(size) ml_malloc(size, __FILE__, __LINE__)
#define free(ptr) ml_free(ptr, __FILE__, __LINE__)
#define calloc(num, size) ml_calloc(num, size, __FILE__, __LINE__)
#define realloc(ptr, size) ml_realloc(ptr, size, __FILE__, __LINE__)
#endif
关键点：
- 使用
__FILE__和__LINE__宏获取调用位置 - 通过条件编译避免在检测器内部形成循环
- 保持与标准库函数相同的接口
2.2 内存记录结构
typedef struct {
void* address; // 内存地址
uint32_t size; // 分配大小
uint32_t timestamp; // 分配时间戳
uint32_t line; // 源代码行号
char file_name[32]; // 文件名（仅文件名，不包含路径）
char thread_name[25]; // 线程名称
leak_status_t status; // 泄露状态
} memory_info_t;
typedef struct memory_node {
memory_info_t mem_info;
struct memory_node* next;
} memory_node_t;
内存优化策略：
- 文件名只存储文件名部分，节省内存
- 使用链表结构，支持动态增长
- 每个节点开销约71字节
2.3 核心算法流程
分配跟踪算法
void* ml_malloc(size_t size, const char* file, uint32_t line) {
// 1. 调用C语言真实malloc
void* ptr = malloc(size);
if (ptr != NULL) {
// 2. 记录分配信息
ml_add_info(ptr, k_uptime_get_32(), size, file, line,
k_thread_name_get(k_current_get()), LEAK_OK);
}
return ptr;
}
释放跟踪算法
void ml_free(void* ptr, const char* file, uint32_t line) {
// 1. 从记录中查找并移除
memory_node_t* node = ml_find_and_remove(ptr);
if (node == NULL) {
// 2. 检测重复释放
ml_add_info(ptr, k_uptime_get_32(), 0, file, line,
k_thread_name_get(k_current_get()), LEAK_DOUBLE_FREE);
} else {
// 3. 正常释放，更新统计
g_stats.total_deallocations++;
g_stats.current_allocations--;
g_stats.total_memory_used -= node->mem_info.size;
free(node);
}
// 4. 调用真实free
free(ptr);
}
三、泄露检测算法原理
3.1 泄露判定标准
typedef enum {
LEAK_OK = 0, // 正常
LEAK_MEMORY_LEAK, // 内存泄露
LEAK_SUSPICIOUS, // 可疑分配
LEAK_DOUBLE_FREE, // 重复释放
LEAK_FREE_NULL // 释放空指针
} leak_status_t;
泄露判定逻辑：
- 内存泄露：分配后超过
MIN_LIFETIME_MS仍未释放 - 可疑分配：分配时间超过阈值但可能正常（如全局变量）
- 重复释放：对同一地址多次调用
free() - 释放空指针：对
NULL调用free()
3.2 检测算法实现
void ml_check_leaks(void) {
if (lifetime > CONFIG_MEMORY_LEAK_DETECTOR_MIN_LIFETIME_MS) {
if (lifetime > CONFIG_MEMORY_LEAK_DETECTOR_MIN_LIFETIME_MS * 3) {
// 超过3倍时间阈值，判定为泄露
current->mem_info.status = LEAK_MEMORY_LEAK;
g_stats.leak_count++;
} else {
// 超过阈值但未超过3倍时间，判定为可疑
current->mem_info.status = LEAK_SUSPICIOUS;
g_stats.suspicious_count++;
}
}
}
四、实际内存泄露监测案例测试
必须操作：包含宏代替文件
// 在main.c中的集成示例
#include <stdlib.h>
#ifdef CONFIG_MEMORY_LEAK_DETECTOR
#define MEMORY_LEAK_USER_OPERATE
#include <memory_leak_detector.h>
#endif
4.1：内存申请
申请程序：
LOG_INF("--- 测试1：正常内存操作 ---");
void* normal_ptr = malloc(100, __FILE__, __LINE__);
LOG_INF("正常分配: %p", normal_ptr);
插桩反馈：
<inf> main: --- 测试1：正常内操作 ---
[MEMORY_LEAK] malloc(100) = 0xc3225d8 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:122 (thread: Thread_0x809eb0)
<inf> main: 正常分配: 0xc3225d8
说明：
- 成功拦截malloc调用
- 正确记录分配地址、大小、文件位置、行号
- 线程信息正确显示
4.2：内存释放
释放程序：
free(normal_ptr, __FILE__, __LINE__);
LOG_INF("正常释放");
插桩反馈
[MEMORY_LEAK] free(0xc3225d8) at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:124
<inf> main: 正常释放
说明：
- 成功拦截free调用
- 正确记录释放地址、大小、文件位置、行号
- 正确移除分配记录
4.3：制造内存泄露
制造泄露程序
LOG_INF("--- 测试2：制造内存泄露 ---");
static void create_memory_leaks(void)
{
// 故意泄露1：分配内存但不释放
void* leak1 = malloc(100);
LOG_INF("分配了100字节内存但不释放: %p", leak1);
// 故意泄露2：分配更多内存但不释放
void* leak2 = calloc(10, 50);
LOG_INF("分配了500字节内存但不释放: %p", leak2);
// 故意泄露3：重新分配内存但不释放
void* leak3 = malloc(200);
void* leak3_new = realloc(leak3, 300);
LOG_INF("重新分配了300字节内存但不释放: %p", leak3_new);
// 正常的内存操作（对比）
void* normal = malloc(150);
LOG_INF("正常分配150字节内存: %p", normal);
free(normal);
LOG_INF("正常释放内存");
}
插桩反馈
<inf> main: --- 测2：制造内存泄露 ---
MEMORY_LEAK] malloc(100) = 0xc3225d8 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:28 (thread: Thread_0x809eb0)
<inf> main: 分配了100字节内存但不释放: 0xc3225d8
[MEMORY_LEAK] malloc(500) = 0xc342908 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:32 (thread: Thread_0x809eb0)
<inf> main: 分配了500节内存但不释放: 0xc342908
[MEMORY_LEAK] malloc(200) = 0xc3226f8 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:36 (thread: Thread_0x809eb0)
[MEMORY_LEAK] malloc(300) = 0xc342b08 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:37 (thread: Thread_0x809eb0)
<inf> main: 重新分配了300字节内存但不释放: 0xc342b08
[MEMORY_LEAK] malloc(150) = 0xc322750 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:41 (thread: Thread_0x809eb0)
<inf> main: 正常分配150字节内存: 0xc322750
[MEMORY_LEAK] free(0xc322750) at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:43
说明：
- 准确检测到3个故意制造的内存泄漏
- 显示完整的泄漏信息
4.4：手动打印内存信息
信息打印
static void test_memory_stats(void)
{
// 先检查泄露，更新统计信息
ml_check_leaks();
// 然后获取最新的统计信息
memory_stats_t stats;
ml_get_stats(&stats);
LOG_INF("=== 内存统计信息 ===");
LOG_INF("总分配次数: %d", stats.total_allocations);
LOG_INF("总释放次数: %d", stats.total_deallocations);
LOG_INF("当前活跃分配: %d", stats.current_allocations);
LOG_INF("当前使用内存总量: %d", stats.total_memory_used);
LOG_INF("峰值内存使用: %d", stats.peak_memory_used);
LOG_INF("泄露数量: %d", stats.leak_count);
LOG_INF("可疑数量: %d", stats.suspicious_count);
LOG_INF("错误数量: %d", stats.error_count);
LOG_INF("==================");
}
统计反馈
<inf> main: === 内存统计信息 ===
<inf> main: 总分配次数: 6
<inf> main: 总释放次数: 3
<inf> main: 当前活跃分配: 3
<inf> main: 当前使用内存总量: 900
<inf> main: 峰值内存使用: 1050
<inf> main: 泄露数量: 3
<inf> main: 可疑数量: 0
<inf> main: 错误数量: 0
<inf> main: ==================
说明：
- 统计数字准确反映内存使用情况
- 峰值内存计算正确（100+500+300+150=1050字节）
- 泄漏和错误计数准确
4.5：制造重复释放
制造重复释放程序
static void create_double_free_error(void)
{
void* ptr = malloc(100);
LOG_INF("分配内存用于测试重复释放: %p", ptr);
// 第一次释放（正常）
free(ptr);
LOG_INF("第一次释放内存");
// 第二次释放（错误！）
free(ptr);
LOG_INF("第二次释放内存（这会导致错误）");
}
插桩反馈
<inf> main: --- 测试5：重复释错误 ---
MEMORY_LEAK] malloc(100) = 0xc322768 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:52 (thread: Thread_0x809eb0)
<inf> main: 分配内存用于测试重复释放: 0xc322768
[MEMORY_LEAK] free(0xc322768) at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:56
<inf> main: 第一次释放内存
[MEMORY_LEAK] malloc(20) = 0xc322768 at WEST_TOPDIR/projects/watch_demo/w30_app/main.c:60 (thread: Thread_0x809eb0)
Warning !!! ERROR: LEAK_FREE_NULL
<inf> main: 第二次释放内存（会导致错误）
说明：
- 重复释放检测正确
- 警告输出正确：Warning !!! ERROR: LEAK_FREE_NULL
五、算法优势与特点
5.1 技术优势
- 轻量级设计：每个分配仅需71字节开销
- 零侵入性：通过宏拦截，无需修改应用代码
- 实时检测：支持运行时泄露检测和报告
- 线程安全：支持多线程环境
- 可配置性：通过Kconfig灵活配置参数
5.2 适用场景
- 嵌入式系统：资源受限的RTOS环境
- 实时应用：需要低延迟的内存监控
- 开发调试：快速定位内存问题
- 生产监控：长期运行的内存健康监控
总结
本文介绍的小型内存泄露检测算法具有以下特点：
- 算法简洁：核心逻辑清晰，易于理解和维护
- 资源高效：内存开销小，适合嵌入式环境
- 功能完整：支持多种内存错误检测
- 易于集成：与现有代码无缝集成
- 可扩展性：支持自定义配置和扩展
这种轻量级算法为嵌入式系统提供了一种实用的内存监控解决方案，填补了大型工具无法使用的空白，是嵌入式开发者的有力工具。
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