讓我生不如死的Windows CE內(nèi)存泄漏

很多實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)備是長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行的，即使是少許的內(nèi)存泄漏，也會(huì)積少成多，對(duì)嵌入式系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的影響。這幾天，我在嵌入式軟件項(xiàng)目中就飽嘗到這個(gè)痛苦，讓我明白到嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件也會(huì)有許多內(nèi)存問題，從而導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的崩潰。例如非法的內(nèi)存訪問、各種死鎖以及諸如堆棧溢出、數(shù)組越界和內(nèi)存泄漏等。

Windows CE作為最流行的一種嵌入式操作系統(tǒng)，現(xiàn)正廣泛被應(yīng)用。我所負(fù)責(zé)的嵌入式應(yīng)用程序也是在Windows CE平臺(tái)上開發(fā)的。在進(jìn)入測(cè)試階段中，我發(fā)現(xiàn)有一個(gè)程序模塊系統(tǒng)內(nèi)存和CPU資源消耗急劇增加，持續(xù)增長(zhǎng)到出現(xiàn)OutOfMemoryError為止，然后自動(dòng)重啟。這個(gè)問題折騰到我生不如死，痛苦不堪。花了我好幾個(gè)通宵達(dá)旦的加班后，經(jīng)過分析終于確認(rèn)Windows CE內(nèi)存泄漏是造成這次Windows CE系統(tǒng)崩潰的主要原因。這里與大家分享我在開發(fā)過程中遇到的內(nèi)存泄漏的檢測(cè)和處理解決過程。

一.Windows CE如何進(jìn)行內(nèi)存分配?

為了判斷是否有內(nèi)存泄露，我們首先需要了解Windows CE是如何管理內(nèi)存的。許多嵌入式程序員都有一個(gè)共識(shí)，就是如果評(píng)選在Windows CE 程序中遇到最多的問題，那其中一個(gè)問題一定有內(nèi)存問題。

(1)什么是Windows CE內(nèi)存管理

一般來說，運(yùn)行Windows CE的嵌入式設(shè)備出于緊湊型的考慮內(nèi)存都不大，以至于有時(shí)候有些程序員會(huì)為了節(jié)省內(nèi)存開支而犧牲程序的某些性能。但盡管WinCE系統(tǒng)的內(nèi)存很小，用來管理內(nèi)存的函數(shù)卻十分完善。Windows CE實(shí)現(xiàn)了Windows XP中幾乎全部的Win32內(nèi)存管理API。例如，Windows CE支持虛擬內(nèi)存分配，本地和分離的堆管理，甚至還有內(nèi)存映射文件。像Windows XP一樣，Windows CE支持帶有應(yīng)用程序間內(nèi)存保護(hù)功能的32位地址空間，這一點(diǎn)對(duì)于多程序和多線程運(yùn)行時(shí)是非常重要的功能。但是Windows CE畢竟是被設(shè)計(jì)來應(yīng)用于實(shí)時(shí)場(chǎng)合的，所以它底層的內(nèi)存結(jié)構(gòu)又不同于Windows XP。

Windows CE內(nèi)核可以在Flash上直接運(yùn)行，也可以加載到內(nèi)存中運(yùn)行。Flash的運(yùn)行方式，是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到Flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從Flash的某個(gè)地址開始執(zhí)行。在這種情況下，Windows CE系統(tǒng)就像直接讀硬盤，存儲(chǔ)在Flash上的程序能夠以現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行的方式運(yùn)行。這種能力對(duì)小型系統(tǒng)來說使之在具有巨大的優(yōu)勢(shì)，這樣這能快速啟動(dòng)一個(gè)應(yīng)用程序，因此這種方法被很多嵌入式系統(tǒng)所采用。另一種是內(nèi)核加載方式，是把內(nèi)核的壓縮文件存放在Flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(zhí)行。

(2)虛擬內(nèi)存和函數(shù)應(yīng)用

和大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)一樣，Windows CE實(shí)現(xiàn)按需調(diào)頁的虛擬內(nèi)存機(jī)制。由于Windows CE系統(tǒng)使用了虛擬內(nèi)存，這就給應(yīng)用程序造成了一個(gè)假象，以為計(jì)算機(jī)安裝的內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自己所需要的數(shù)量。Windows CE是32位的操作系統(tǒng)，因此支持4GB的虛擬地址空間。Windows把這些地址空間分給進(jìn)程和系統(tǒng)使用，每個(gè)部分可以獲得2GB的虛擬內(nèi)存。

虛擬內(nèi)存是內(nèi)存類型中最基礎(chǔ)的。Windows CE 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存管理，在一個(gè)虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，應(yīng)用程序主要處理這個(gè)虛擬的地址空間，并不涉及到由硬件管理的物理內(nèi)存。系統(tǒng)調(diào)用虛擬內(nèi)存API來為其它類型內(nèi)存分配內(nèi)存，包括堆和棧。Windows CE虛擬內(nèi)存頁可以處在三種狀態(tài)：自由(free)，保留(reserved)，或被提交(committed)。

簡(jiǎn)單說，就是當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序要查詢系統(tǒng)的內(nèi)存時(shí)，可使用虛擬內(nèi)存API，包括VirtualAlloc，VirtualFree和VirtualReSize函數(shù)，這些函數(shù)可以直接操作虛擬內(nèi)存空間的虛擬內(nèi)存頁面。例如，頁面可以保留，提交給物理內(nèi)存，或使用這些函數(shù)釋放。Windows CE實(shí)現(xiàn)了Win32的GetSystemInfo和GlobalMemoryStatus函數(shù)。另一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)是：void GlobalMemoryStatus(LPMEMORYSTATUS lpmst)，通過GlobalMemoryStatus返回的信息可以驗(yàn)證Windows CE內(nèi)存結(jié)構(gòu)。

(3)釋放虛擬內(nèi)存

不同于Windows XP，Windows CE只支持在堆中分配固定(fixed)的塊。這簡(jiǎn)化了內(nèi)存塊在堆中的處理，但是這使得堆在分配和釋放一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生碎片。當(dāng)堆里已經(jīng)清空的時(shí)候，仍然會(huì)占用大量的虛擬內(nèi)存頁，因?yàn)橄到y(tǒng)不能在堆中內(nèi)存頁沒有完全釋放的時(shí)候回收這些頁。這時(shí)，一般情況下是可以通過調(diào)用VirtualFree來取消提交，或釋放虛擬內(nèi)存。從物理RAM頁中取消提交或者取消映射，但是保持頁被保留的狀態(tài)，當(dāng)在區(qū)域中的所有的頁通過VirtualFree被釋放時(shí)，也應(yīng)該處在同樣的情況下。更確切地說，區(qū)域中的全部頁要被釋放，那這些頁要么都是被提交的頁，要么都是被保留的頁。如果有些頁被提交，有些頁被保留，那么VirtualFree函數(shù)調(diào)用就會(huì)失敗。

實(shí)際上，Windows CE會(huì)監(jiān)視系統(tǒng)自由的內(nèi)存，并對(duì)越來越少的內(nèi)存作出響應(yīng)。當(dāng)很少內(nèi)存可用時(shí)，Windows CE首先發(fā)送WM_HIBERNATE消息，接下來會(huì)限制可能的內(nèi)存分配。當(dāng)應(yīng)用程序被發(fā)送了一個(gè)WM_HIBERNATE消息后，系統(tǒng)將檢測(cè)內(nèi)存級(jí)別，確認(rèn)是否可用內(nèi)存在限度之上，如果可用內(nèi)存不足，WM_HIBERNATE消息將被發(fā)送給下一個(gè)程序，這會(huì)持續(xù)到所有程序被發(fā)送了WM_HIBERNATE消息。