内存泄漏对于C/C++程序员来说也可以算作是个永恒的话题了吧。在Windows下，MFC的一个很有用的功能就是能在程序运行结束时报告是否发生了内存泄漏。在Linux下，相对来说就没有那么容易使用的解决方案了：像mpatrol之类的现有工具，易用性、附加开销和性能都不是很理想。本文实现一个极易于使用、跨平台的C++内存泄漏检测器。并对相关的技术问题作一下探讨。
基本使用
对于下面这样的一个简单程序test.cpp：
int main()
{
int* p1 = new int;
char* p2 = new char[10];
return 0;
}
我们的基本需求当然是对于该程序报告存在两处内存泄漏。要做到这点的话，非常简单，只要把debug_new.cpp也编译、链接进去就可以了。在Linux下，我们使用：
g++ test.cpp debug_new.cpp -o test
输出结果如下所示：
Leaked object at 0x805e438 (size 10, <Unknown>:0)
Leaked object at 0x805e410 (size 4, <Unknown>:0)
如果我们需要更清晰的报告，也很简单，在test.cpp开头加一行
#include "debug_new.h"
即可。添加该行后的输出如下：
Leaked object at 0x805e438 (size 10, test.cpp:5)
Leaked object at 0x805e410 (size 4, test.cpp:4)
非常简单！
背景知识
在new/delete操作中，C++为用户产生了对operator new和operator delete的调用。这是用户不能改变的。operator new和operator delete的原型如下所示：
void *operator new(size_t) throw(std::bad_alloc);
void *operator new[](size_t) throw(std::bad_alloc);
void operator delete(void*) throw();
void operator delete[](void*) throw();
对于"new int"，编译器会产生一个调用"operator new(sizeof(int))"，而对于"new char[10]"，编译器会产生"operator new[](sizeof(char) * 10)"（如果new后面跟的是一个类名的话，当然还要调用该类的构造函数）。类似地，对于"delete ptr"和"delete[] ptr"，编译器会产生"operator delete(ptr)"调用和"operator delete[](ptr)"调用（如果ptr的类型是指向对象的指针的话，那在operator delete之前还要调用对象的析构函数）。当用户没有提供这些操作符时，编译系统自动提供其定义；而当用户自己提供了这些操作符时，就覆盖了编译系统提供的版本，从而可获得对动态内存分配操作的精确跟踪和控制。
同时，我们还可以使用placement new操作符来调整operator new的行为。所谓placement new，是指带有附加参数的new操作符，比如，当我们提供了一个原型为
void* operator new(size_t size, const char* file, int line);
的操作符时，我们就可以使用"new("hello", 123) int"来产生一个调用"operator new(sizeof(int), "hello", 123)"。这可以是相当灵活的。又如，C++标准要求编译器提供的一个placement new操作符是
void* operator new(size_t size, const std::nothrow_t&);
其中，nothrow_t通常是一个空结构（定义为"struct nothrow_t {};"），其唯一目的是提供编译器一个可根据重载规则识别具体调用的类型。用户一般简单地使用"new(std::nothrow) 类型"（nothrow是一个nothrow_t类型的常量）来调用这个placement new操作符。它与标准new的区别是，new在分配内存失败时会抛出异常，而"new(std::nothrow)"在分配内存失败时会返回一个空指针。
要注意的是，没有对应的"delete(std::nothrow) ptr"的语法；不过后文会提到另一个相关问题。
要进一步了解以上关于C++语言特性的信息，请参阅[Stroustrup1997]，特别是6.2.6、10.4.11、15.6、19.4.5和B.3.4节。这些C++语言特性是理解本实现的关键。
检测原理
和其它一些内存泄漏检测的方式类似，debug_new中提供了operator new重载，并使用了宏在用户程序中进行替换。debug_new.h中的相关部分如下：
void* operator new(size_t size, const char* file, int line);
void* operator new[](size_t size, const char* file, int line);
#define new DEBUG_NEW
#define DEBUG_NEW new(__FILE__, __LINE__)
拿上面加入debug_new.h包含后的test.cpp来说，"new char[10]"在预处理后会变成"new("test.cpp", 4) char[10]"，编译器会据此产生一个"operator new[](sizeof(char) * 10, "test.cpp", 4)"调用。通过在debug_new.cpp中自定义"operator new(size_t, const char*, int)"和"operator delete(void*)"（以及"operator new[]…"和"operator delete[]…"；为避免行文累赘，以下不特别指出，说到operator new和operator delete均同时包含数组版本），我可以跟踪所有的内存分配调用，并在指定的检查点上对不匹配的new和delete操作进行报警。实现可以相当简单，用map记录所有分配的内存指针就可以了：new时往map里加一个指针及其对应的信息，delete时删除指针及对应的信息；delete时如果map里不存在该指针为错误删除；程序退出时如果map里还存在未删除的指针则说明有内存泄漏。
不过，如果不包含debug_new.h，这种方法就起不了作用了。不仅如此，部分文件包含debug_new.h，部分不包含debug_new.h都是不可行的。因为虽然我们使用了两种不同的operator new --"operator new(size_t, const char*, int)"和"operator new(size_t)"-- 但可用的"operator delete"还是只有一种！使用我们自定义的"operator delete"，当我们删除由"operator new(size_t)"分配的指针时，程序将认为被删除的是一个非法指针！我们处于一个两难境地：要么对这种情况产生误报，要么对重复删除同一指针两次不予报警：都不是可接受的良好行为。
看来，自定义全局"operator new(size_t)"也是不可避免的了。在debug_new中，我是这样做的：
void* operator new(size_t size)
{
return operator new(size, "<Unknown>", 0);
}
但前面描述的方式去实现内存泄漏检测器，在某些C++的实现中（如GCC 2.95.3中带的SGI STL）工作正常，但在另外一些实现中会莫名其妙地崩溃。原因也不复杂，SGI STL使用了内存池，一次分配一大片内存，因而使利用map成为可能；但在其他的实现可能没这样做，在map中添加数据会调用operator new，而operator new会在map中添加数据，从而构成一个死循环，导致内存溢出，应用程序立即崩溃。因此，我们不得不停止使用方便的STL模板，而使用手工构建的数据结构：
struct new_ptr_list_t
{
new_ptr_list_t* next;
const char* file;
int line;
size_t size;
};
我最初的实现方法就是每次在使用new分配内存时，调用malloc多分配 sizeof(new_ptr_list_t) 个字节，把分配的内存全部串成一个一个链表（利用next字段），把文件名、行号、对象大小信息分别存入file、line和size字段中，然后返回(malloc返回的指针 + sizeof(new_ptr_list_t))。在delete时，则在链表中搜索，如果找到的话（(char*)链表指针 + sizeof(new_ptr_list_t) == 待释放的指针），则调整链表、释放内存，找不到的话报告删除非法指针并abort。
至于自动检测内存泄漏，我的做法是生成一个静态全局对象（根据C++的对象生命期，在程序初始化时会调用该对象的构造函数，在其退出时会调用该对象的析构函数），在其析构函数中调用检测内存泄漏的函数。用户手工调用内存泄漏检测函数当然也是可以的。
基本实现大体就是如此。
