Úniky paměti: Co to je a jak je opravit
Stejně jako je klíčový mozek pro lidskou existenci, je paměť zásadní pro fungování počítačů. Systém nemůže provádět zadané úkoly, pokud nemá dostatečnou operační paměť (RAM). Nedostatek RAM, a také jiné problémy s pamětí, mohou být způsobeny úniky paměti. Proto si objasníme, jak úniky paměti detekovat a jak je následně napravit.
Než se ale pustíme do řešení, pojďme si úniky paměti blíže definovat a ujasnit si, proč je důležité je odstranit.
Co jsou úniky paměti?
Představme si parkoviště u obchodního centra, kde jsou zaparkována všechna auta bez ohledu na to, zda již jejich majitelé dokončili nákup. Časem se parkoviště zaplní a nebude možné parkovat další vozidla, což způsobí dopravní kolaps a sníží efektivitu obchodního centra.
Zdroj obrázku: prateeknima.medium.com
A přesně to se může stát i v počítači!
Počítačové programy, podobně jako auta na parkovišti, mohou zapomenout uvolnit alokovanou paměť, když ji již nepotřebují. To zatěžuje operační paměť a nedává prostor pro hladké provádění nových operací, což vede k chybě zvané únik paměti.
Příklad kódu demonstrující únik paměti:
void memory_allocation() {
int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
}
Tento C kód alokuje paměť pro celočíselnou proměnnou a uloží její adresu do ukazatele ‚ptr‘. Chybí zde ale kód, který by alokovanou paměť následně uvolnil, což vede k úniku paměti.
def infinite_rec():
return infinite_rec()
V tomto Python kódu neexistuje žádný případ pro ukončení funkce. Tento kód tedy povede k přetečení zásobníku a úniku paměti.
Běžné příčiny úniků paměti
Nedbalost programátora
Jednou z hlavních příčin úniku paměti je nedbalost programátora.
Programátoři často alokují paměť pro data, ale opomíjejí ji uvolnit, když už nejsou data potřeba. Postupně se tak paměť zaplní a nezbývá prostor pro nové úkoly, což vede k chybě „úniku paměti“.
Programovací jazyky
Používání programovacích jazyků bez integrovaného systému pro správu paměti může vést k únikům paměti.
Programovací jazyky jako Java mají zabudované garbage collectory, které automaticky zajišťují správu paměti.
Například C++ ale nemá zabudovaný garbage collector. V tomto případě musí programátor s pamětí manipulovat ručně, což může způsobit úniky paměti, pokud se zapomene paměť uvolnit.
Intenzivní využívání mezipaměti
Často používané úlohy, data nebo aplikace jsou ukládány do mezipaměti, aby se k nim rychleji přistupovalo.
Pokud jsou položky v mezipaměti ukládány a nejsou odstraňovány, ačkoli jsou již neaktuální, může to způsobit únik paměti.
Používání globálních proměnných
Globální proměnné si uchovávají alokovaná data po celou dobu běhu aplikace. Rozsáhlé používání globálních proměnných tedy spotřebovává velké množství paměti po delší dobu a může způsobit úniky paměti.
Neefektivní datové struktury
Vývojáři si často vytvářejí vlastní datové struktury. Problém s únikem paměti ale nastane, když tyto struktury neumí uvolnit již nepotřebnou paměť.
Neuzavřená připojení
Neuzavírání souborů, databází, síťových připojení a podobně po jejich použití, také může vést k úniku paměti.
Důsledky úniků paměti
Snížený výkon – Jak se úniky paměti hromadí, je patrný postupný pokles výkonu aplikace nebo systému. Důvodem je to, že chybí paměť potřebná pro dokončení úkolů, což zpomaluje chod aplikace.
Pády aplikací – Aplikacím dochází paměť, jak se únik paměti zvětšuje. V určitém bodě, když už není dostupná žádná paměť, se program zhroutí, což způsobí ztrátu dat a selhání aplikace.
Bezpečnostní rizika – Nesprávné vymazání citlivých údajů, jako jsou hesla, osobní data nebo důvěrné informace z paměti po jejich použití, vystavuje tyto data útoku během úniku paměti.
Vyčerpání zdrojů – Aplikace zabírají stále více paměti RAM, když jim dochází paměť z důvodu úniku. Tím se zvyšuje spotřeba zdrojů a snižuje se celkový výkon systému.
Jak zjistit úniky paměti?
Manuální kontrola kódu
Projděte si zdrojový kód a hledejte místa, kde je alokovaná paměť, ale není po použití uvolněna. Zaměřte se na proměnné a objekty, které využívají paměť, ale neuvolňují ji, když už nejsou potřeba.
Sledujte také hlavní zdroje ukládání dat a ujistěte se, že datové struktury efektivně spravují přidělenou paměť.
Statická analýza kódu
Existují různé nástroje pro statickou analýzu, které analyzují zdrojový kód ještě před kompilací, a dokáží detekovat potenciální úniky paměti.
Tyto nástroje sledují běžné vzory, pravidla a chyby v kódu a předvídají tak možné úniky paměti ještě před jejich vznikem.
Dynamické analytické nástroje
Tyto nástroje využívají dynamický přístup, kdy se kód analyzuje během jeho provádění a hledají se úniky paměti.
Dynamické nástroje zkoumají chování objektů, funkcí a využití paměti za běhu. Díky tomu jsou velmi přesné při detekci úniků paměti.
Nástroje pro profilování
Profilovací nástroje poskytují přehled o tom, jak aplikace využívá paměť.
Vývojáři mohou tyto informace použít k analýze využití paměti programem a optimalizovat techniky správy paměti, aby zabránili pádům aplikací a problémům s degradací paměti.
Knihovny pro detekci úniků paměti
Některé programovací jazyky nabízejí vestavěné knihovny nebo knihovny třetích stran pro detekci úniků paměti.
Například Java má garbage collector, který spravuje paměť, a C++ nabízí CrtDbg pro správu paměti.
Specializované knihovny, jako LeakCanary, Valgrind, YourKit, se zaměřují na řešení úniků paměti v různých typech aplikací.
Jak opravit únik paměti?
Identifikujte úniky paměti
Pro opravu úniků paměti je nejdříve potřeba je identifikovat.
Lze provést buď manuální kontrolu kódu, nebo použít některý automatizovaný nástroj. K odhalení úniků lze použít i výše zmíněné metody.
Identifikujte objekty způsobující únik
Jakmile se potvrdí únik paměti, je potřeba najít objekty a datové struktury, které jej způsobují. Zjistěte, jakým způsobem jim byla alokována paměť a kde má dojít k jejímu uvolnění.
Vytvářejte testovací případy
Nyní, když znáte přesné místo úniku, vytvořte testovací případy, abyste potvrdili správnost identifikace a ověřili, že únik po opravě skutečně zmizí.
Opravte kód
Přidejte do kódu uvolňování paměti pro objekty, které ji zadržují. Pokud kód již existuje, aktualizujte ho, aby se alokovaná paměť správně uvolňovala.
Test znovu
Znovu použijte nástroje pro detekci úniků nebo automatizované testy, abyste ověřili, že aplikace funguje správně a že již nedochází k únikům paměti.
Otestujte také výkon a funkce vaší aplikace, abyste se ujistili, že aktualizace kódu neovlivnily jiné aspekty aplikace.
Nejlepší postupy, jak zabránit únikům paměti
Staňte se zodpovědným programátorem
Při psaní kódu věnujte pozornost uvolňování paměti nebo rušení ukazatelů na paměť. Minimalizujete tak riziko úniku paměti.
Pamatujete si kód uvedený níže? Jak bylo zmíněno na začátku článku, chybí zde kód pro dealokaci paměti, což vede k úniku paměti.
void memory_allocation() {
int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
}
Takto může programátor paměť uvolnit:
delete ptr;
Používejte vybavené programovací jazyky
Programovací jazyky, jako je Java nebo Python, využívají vestavěné knihovny pro správu paměti, jako jsou garbage collectory, které automaticky řeší úniky paměti.
I když přehlédnete několik případů, tyto nástroje je zvládnou a zabrání potenciálním únikům paměti.
Doporučujeme používat jazyky s vestavěnou správou paměti.
Kruhové odkazy
Vyhýbejte se cyklickým odkazům ve vašem programu.
Kruhové odkazy vytvářejí smyčku objektů, které na sebe vzájemně odkazují. Například objekt ‚a‘ odkazuje na ‚b‘, objekt ‚b‘ odkazuje na ‚c‘ a objekt ‚c‘ opět odkazuje na ‚a‘. Kruhové odkazy vedou k nekonečné smyčce, která způsobuje úniky paměti.
Minimalizujte používání globálních proměnných
Pokud se obáváte o efektivitu paměti, měli byste omezit používání globálních proměnných. Globální proměnné využívají paměť po celou dobu běhu aplikace, což je nevhodné z hlediska správy paměti.
Místo toho používejte lokální proměnné. Ty jsou z hlediska paměti efektivnější, protože po skončení funkce uvolní paměť.
Globální proměnné vypadají následovně (používejte je pouze v nutných případech):
int x = 5 // Globální proměnná
void func(){
print(x)
}
Ale používejte lokální proměnné tímto způsobem:
void func(){
int x = 5 // Lokální proměnná
print(x)
}
Omezte mezipaměť
Nastavte limit pro paměť, kterou může mezipaměť používat. Někdy se všechny úkoly, které se v systému provádějí, přesunou do mezipaměti a nahromadění obsahu mezipaměti může vést k únikům paměti.
Omezení mezipaměti může zabránit únikům paměti.
Důkladně testujte
Zahrňte do testovací fáze testy zaměřené na úniky paměti.
Vytvořte automatizované testy a pokryjte všechny okrajové případy, abyste odhalili úniky paměti před nasazením kódu do produkce.
Vybavte se monitorovacími nástroji
Pro sledování využití paměti používejte nástroje automatického profilování. Pravidelné monitorování vám pomůže odhalit potenciální úniky a včas je napravit.
Visual Studio profiler, NET Memory profiler a JProfiler jsou v tomto ohledu dobré nástroje.
Závěr
Pro dosažení špičkového výkonu aplikace je zásadní efektivní správa paměti a úniky paměti se nemohou ignorovat. Důležité je úniky paměti řešit a předcházet jejich budoucímu výskytu. Tento článek se zaměřil na to, jak toho lze dosáhnout.
Ukázali jsme si různé metody pro detekci úniků paměti, osvědčené postupy pro jejich opravu a principy, které vám pomohou se jim do budoucna vyhnout.
Dále se můžete podívat, jak opravit chybu „nedostatek paměti“ ve Windows do 5 minut.