動態記憶體分配是程式設計時，幾乎都會用到的功能。隨著程式越寫越大，動態分配的記憶體散佈在各處，這時開始就容易發生 memory leakage 的問題 – allocate 之後沒有 free。在 User mode, 就造成系統緩慢，記憶體耗盡，process 被中止。 在 Kernel mode 就會影響到整個系統的穩定性。
當然，有 memory leakage 的問題，最好是能找到根本原因，是哪邊沒有 free 掉。但有更多的狀況是要花很久的時間才能複制出來，或程式是別人寫的，或是 Open Source 套件，難以快速找到其根本問題。
自己的記憶體管理函式庫
與其找到問題發生的原因，更簡單的方式是使用自己的記憶體分配函式庫 (Memory Allocator)。這邊說的「自己」，也不是真的自己寫的。就是找到第三方提供的函式庫。這裡提到的是 ARM mbedTLS 裡的一個 buffer management 的功能。ARM mbedTLS 一直有持續在改版，目前的檔案結構已經有點不一樣，我所使用的是 2.5.1，可以在 WoLTE_TLSClient 這個專案裡找到。mbedTLS 的說明則在這裡可以找到。
mbedTLS memory allocator 提供的功能，可以指定一塊記憶體供 allocate/free，而不分配超過這塊記憶體的範圍。這塊記憶體可以是 stack 或 heap 都可以。透過這個 library，有幾個好處：
- 分配的記憶體空間上限就會被限制住，而不會無限的成長。
- 如果發生 memory leakage 現象，可以把某個程式元件重置就好了，而不需全部重置。
- 透過 usage 觀察，可以知道一個軟體元件在 init/deinit 後，是否有造成 memory leakage。
應用場景
在 Linux Mosquitto MQTT Clients 與 公用Broker 驗証 這篇文章裡就是使用到 mbedTLS 來進行 TLS 驗証。而 mbedTLS 在這版本裡，本身就會造成每次連線約 5kb 的 memory leakage。我們可以在每次連線後觀察 max memory usage 而得知這個現象。解決方法(迴避比較洽當…)也很簡單，就是把 memory allocator reinit，並且把 TLS object reinit 即可。
測試程式碼
mbedTLS memory allocator 的簡化 library 已附在文末。這邊我們說明一下裡面的例子。
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#include <stdio.h> #include "memory_buffer_alloc.h" int main() { char buf[1024*100]; /* 用一塊 stack 記憶體來當作分配的 buffer */ char *p; int i; /* 初始化memory allocator library, 並指定要用的 buffer */ mbedtls_memory_buffer_alloc_init( buf, sizeof(buf)); for(i=0;i<100;i++) { /* 分配 1 塊 100 bytes 的記憶體, 這可以對映到 C 的 calloc */ p = (unsigned char *)mbedtls_calloc( 1, 100 ); if(p) { printf("Alloc success\n"); /* 印出目前的使用狀態 */ mbedtls_memory_buffer_alloc_status(); } else { printf("Alloc fail\n"); break; } /* 回收分配的記憶體, 與 C 的 free 相同*/ //mbedtls_free(p); } /* 清除所有的 memory allocator 記憶體 */ mbedtls_memory_buffer_alloc_free(); } |
行5: 利用一塊 stack 記憶體來當做 memory allocator 使用的空間。由於本程式是測試性質，直接使用 stack。一般是使用 heap 的記憶體，才不會 return 後就被回收。
行9: memory allocator 初始化，初始化內部的資料結構。
行12: 此 memory allocator 是利用 mbedtls_calloc() 來分配記憶體。其 prototype 與 calloc() 一樣，方便使用。所有分配的記憶體都會被限制在mbedtls_memory_buffer_alloc_init() 所指定的 buffer 內。 若要清除目前的分配紀錄，再呼叫一次 mbedtls_memory_buffer_alloc_init() 即可。
行16: mbedtls_memory_buffer_alloc_status() 可以印出目前分配的狀況，與分配的峰值。再下個表格內，會說明其內容。
行23: 回收記憶體，與free() 的 prototype一樣。這邊我們把回收的程式碼 comment 掉，是為了我們觀察每次分配後的狀況。一般使用，應該要在適當的時機將其回收。
行26: 釋放 memory allocator buffer。其實其內部沒做什麼事，只是把內部資料結構清成0。
分配結果
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Current use: 97 blocks / 9700 bytes, max: 97 blocks / 9700 bytes (total 15908 bytes), alloc / free: 97 / 0 Memory currently allocated: Alloc success Current use: 98 blocks / 9800 bytes, max: 98 blocks / 9800 bytes (total 16072 bytes), alloc / free: 98 / 0 Memory currently allocated: Alloc success Current use: 99 blocks / 9900 bytes, max: 99 blocks / 9900 bytes (total 16236 bytes), alloc / free: 99 / 0 Memory currently allocated: Alloc success Current use: 100 blocks / 10000 bytes, max: 100 blocks / 10000 bytes (total 16400 bytes), alloc / free: 100 / 0 Memory currently allocated: |
Current use: 分配了幾個 block，共多少 bytes
max: 分配的峰值，最多分配了幾個blocks / bytes。後面有寫個 total 則是將其 header 算進來，這邊可以看出來。每個 block 會有 64 bytes 的 overhead。
alloc/free : 分配與回收的次數。
結語
Memory allocator library 只是個工具，利用這個工具，可以提供一些資訊來幫助使用者瞭解記憶體是否有被回收。解決 memory leakage 的過程，當然不可能一步到位。當確認有 memory leakage 問題後，還是得要一步步的縮小範圍，直到找出沒正確釋放的地方。
