C++：誰動了我的指針

譯者序：　　本文介紹了一種在調試過程中尋找懸掛指針（野指針）的方法，這種方法是通過對new和delete運算符的重載來實現的。 <!-- frame contents --> <!-- /frame contents --> 　　這種方法不是完美的，它是以調試期的內存洩露為代價來實現的，因為文中出現的代碼是絕不能出現在一個最終發布的軟件產品中的，只能在調試時使用。　　在VC中，在調試環境下，可以簡單的通過把new替換成DEBUG_NEW來實現功能更強更方便的指針檢測，詳情可參考MSDN。DEBUG_NEW的實現思路與本文有相通的地方，因此文章中介紹的方法雖然不是最佳的，但還算實用，更重要的是，它提供給我們一種新的思路。
　　
　　簡介：　　前幾天發生了這樣一件事，我正在調試一個程序，這個程序用了一大堆亂七八糟的指針來處理一個鏈表，最終在一個指向鏈表結點的指針上出了問題。我們預計它應當指向的是一個虛基類的對象。我想到第一個問題是：指針所指的地方真的有一個對象嗎？出問題的指針值可以被4整除，並且不是NULL的，所以可以斷定它曾經是一個有效的指針。通過使用Visual Studio的內存查看窗口（View->Debug Windows->Memory）我們發現這個指針所指的數據是FE EE FE EE FE EE ...這通常意味著內存是曾經是被分配了的，但現在卻處於一種未分配的狀態。不知是誰、在什麼地方把我的指針所指的內存區域給釋放掉了。我想要找出一種方案來查出我的數據到底是怎麼會被釋放的。
　　
　　背景：
　　我最終通過重載了new和delete運算符找到了我丟失的數據。當一個函數被調用時，參數會首先被壓到棧上後，然後返回地址也會被壓到棧上。我們可以在new和delete運算符的函數中把這些信息從棧上提取出來，幫助我們調試程序。
　　
　　代碼：
　　在經歷了幾次錯誤的猜測後，我決定求助於重載new和delete運算符來幫我找到我的指針所指向的數據。下面的new運算符的實現把返回地址從棧上提了出來。這個返回地址位於傳遞過來的參數和第一個局部變量的地址之間。編譯器的設置、調用函數的方法、計算機的體系結構都會引響到這個返回地址的實際位置，所以您在使用下面代碼的時候，要根據您的實際情況做一些調整。一旦new運算符獲得了返回地址，它就在將要實際分配的內存前面分配額外的16個字節的空間來存放這個返回地址和實際的分配的內存大小，並且把實際要分配的內存塊首地址返回。　　對於delete運算符，你可以看到，它不再釋放空間。它用與new同樣的方法把返回地址提取出來，寫到實際分配空間大小的後面（譯者注：就是上面分配的16個字節的第9到第12個字節），在最後四個字節中填上DE AD BE EF（譯者注：四個十六進制數，當成單詞來看正好是dead beef，用來表示內存已釋放真是很形象！），並且把剩余的空間（譯者注：就是原本實際應該分配而現在應該要釋放掉的空間）都填上一個重復的值。　　現在，假如程序由於一個錯誤的指針而出錯，我只需打開內存查看窗口，找到出錯的指針所指的地方，再往前找16個字節。這裡的值就是調用new運算符的地址，接下來四個字節就是實際分配的內存大小，第三個四個字節是調用delete運算符的地址，最後四個字節應該是DE AD BE EF。接下的實際分配過的內存內容應該是77 77 77 77。　　要通過這兩個返回地址在源程序中分別找到對應的new和delete，可以這樣做：首先把表示地址的四個字節的內容倒序排一下，這樣才能得到真正的地址，這裡因為在Intel平台上字節序是低位在前的。下一步，在源代碼上右擊點擊，選“Go To Diassembly”。在反匯編的窗口上的左邊一欄就是機器代碼對應的內存地址。按Ctrl + G或選擇Edit->Go To...並輸入你找到的地址之一。反匯編的窗口就將滾動到對應的new或delete的函數調用位置。要回到源程序只需再次右鍵單擊，選擇“Go To Source”。您就可以看到相應的new或delete的調用了。
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　　 <!-- frame contents --> <!-- /frame contents --> 　　#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);
　　}
　　
　　其它值得關注的地方：　　這段代碼同樣可以用於內存洩露的檢測。只需修改delete運算符使它真正的去釋放內存，並且在程序退出前，用__heapwalk遍歷所有已分配的內存塊並把調用new的地址提取出來，這就將得到一份沒有被delete匹配的new調用列表。　　還要注重的是：這裡列出的代碼只能在調試的時候去使用，假如你把它段代碼放到最終的產品中，會導致程序運行時內存被大量的消耗。
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