Was ist ein Speicherleck und wie kann man es lösen?

Speicherlecks sind eines der Probleme, mit denen Softwareentwickler häufig konfrontiert sind, insbesondere diejenigen, die Programmiersprachen wie C und C++ verwenden.

Speicherverluste treten auf, wenn ein Programm Speicher aus einem Heap zuweist, ihn aber nicht freigibt, wenn er nicht mehr benötigt wird. Infolgedessen wird der verfügbare Arbeitsspeicher im System im Laufe der Zeit reduziert, was zu Leistungseinbußen und sogar zu Anwendungsfehlern führt.

Speicherlecks können sehr schwer zu erkennen und zu beheben sein, da sie in der Regel keine offensichtlichen Fehlermeldungen oder Symptome verursachen. Wenn sie jedoch nicht kontrolliert werden, können Speicherlecks erhebliche negative Auswirkungen auf Benutzer und Systeme haben.

Daher ist es für Entwickler wichtig zu verstehen, was ein Speicherleck ist, was es verursacht, wie es erkannt und wie es überwunden werden kann.

Ursachen für Speicherlecks

Speicherverluste können durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, hängen aber im Allgemeinen mit Fehlern bei der Speicherverwaltung durch Programme zusammen. Einige häufige Ursachen für Speicherverluste sind:

• Vergessen, zugewiesenen Speicher freizugeben. Dies ist der häufigste Fehler, insbesondere in Programmiersprachen, die nicht über Garbage Collection-Features verfügen, z. B. C und C++. Wenn ein Programm Speicher mit Funktionen wie malloc() oder new zuweist, muss es diesen Speicher mit Funktionen wie free() freigeben oder löschen, wenn er nicht mehr benötigt wird. Ist dies nicht der Fall, bleibt der Speicher reserviert und kann nicht von anderen Programmen verwendet werden.
• Speichern Sie Verweise auf Objekte, die nicht mehr benötigt werden. Dies ist ein häufiger Fehler in Programmiersprachen mit Garbage Collections, z. B. Java und C#. Garbage Collection ist ein Mechanismus, der automatisch Speicher freigibt, auf den das Programm nicht mehr verweist. Wenn ein Programm jedoch noch Verweise auf Objekte speichert, die nicht mehr benötigt werden, kann der Garbage Collector diesen Speicher nicht freigeben. Wenn ein Programm z. B. einen Verweis auf eine geschlossene Aktivität oder ein geschlossenes Fragment speichert, können die von dieser Aktivität oder diesem Fragment verwendeten Ressourcen nicht freigegeben werden.
• Ordnen Sie mehr Arbeitsspeicher als nötig zu. Dies ist ein Fehler, der in allen Programmiersprachen auftreten kann, insbesondere in solchen, die dynamische Datentypen wie Arrays oder Zeichenfolgen verwenden. Wenn ein Programm mehr Speicher als benötigt zuweist, wird der Speicher verschwendet und kann nicht von anderen Programmen verwendet werden. Wenn ein Programm z. B. ein Array mit einer Größe von 100 zuweist, aber nur 10 Elemente verwendet, verbrauchen die verbleibenden 90 Elemente nutzlosen Speicher.
• Missbräuchliche Verwendung von Singletons und globalen Objekten. Singleton ist ein Entwurfsmuster, das sicherstellt, dass das Programm nur auf eine Instanz einer Klasse zugreifen kann. Ein globales Objekt ist ein Objekt, auf das alle Teile des Programms zugreifen können. Beide Objekttypen können Speicherverluste verursachen, wenn sie Verweise auf andere Objekte speichern, die kürzere Lebenszyklen haben. Wenn z. B. ein Singleton- oder globales Objekt einen Verweis auf einen Kontext einer Aktivität speichert, kann diese Aktivität nicht vom Garbage Collector freigegeben werden, selbst wenn sie geschlossen ist.
• Registrieren Sie Zuhörer und Rückrufe, ohne sie zu bereinigen. Listener und Rückrufe sind Mechanismen, die es einem Programm ermöglichen, auf Ereignisse oder Ergebnisse anderer Vorgänge zu reagieren. Listener und Callbacks akzeptieren in der Regel Objekte als Parameter, die Verweise auf andere Objekte speichern können. Wenn ein Programm einen Listener oder Rückruf registriert, ohne ihn zu bereinigen, wenn er nicht mehr benötigt wird, kann das Objekt, auf das dieser Listener oder Rückruf verweist, vom Garbage Collector nicht freigegeben werden.

So erkennen Sie Speicherlecks

Speicherlecks können sehr schwer zu erkennen sein, da sie in der Regel keine offensichtlichen Fehlermeldungen oder Symptome verursachen. Es gibt jedoch mehrere Möglichkeiten, Speicherverluste zu erkennen, darunter:

• Beobachten Sie die Speicherauslastung durch Programme. Dies ist die einfachste, aber auch ungenaueste Methode, um Speicherverluste zu erkennen. Mit Tools wie dem Task-Manager unter Windows, der Aktivitätsanzeige unter macOS oder top unter Linux können Sie sehen, wie viel Arbeitsspeicher ein Programm verwendet. Wenn die Speicherauslastung im Laufe der Zeit weiter zunimmt, ohne dass es zu einer signifikanten Abnahme kommt, liegt höchstwahrscheinlich ein Speicherverlust im Programm vor.
• Verwenden Sie Tools zur Speicheranalyse. Dies ist die effektivste, aber auch komplizierteste Methode, um Speicherlecks zu erkennen. Mit einem Speicheranalyse-Tool wie Valgrind, Visual Studio oder LeakCanary können wir im Detail sehen, wie ein Programm Speicher zuweist und freigibt. Tools zur Speicheranalyse können anzeigen, wie viel Arbeitsspeicher zugeordnet ist, wo er zugewiesen ist, wer darauf verweist und wann er freigegeben wird. Speicheranalysetools können auch kompromittierten Speicher identifizieren und den Speicherort des Codes lokalisieren, der den Speicherverlust verursacht hat.
• Verwendung automatisierter Testwerkzeuge. Dies ist die praktischste, aber auch teuerste Methode, um Speicherlecks zu erkennen. Mit automatisierten Testwerkzeugen wie JUnit, Selenium oder Appium können wir sich wiederholende Testszenarien ausführen und die Speicherauslastung durch Programme messen. Wenn die Speicherauslastung im Verlauf des Testszenarios weiter zunimmt, liegt höchstwahrscheinlich ein Speicherverlust im Programm vor.

So überwinden Sie Speicherlecks

Speicherlecks können sehr schwer zu beheben sein, da sie in der Regel erhebliche Codeänderungen und gründliche Tests erfordern. Es gibt jedoch mehrere Möglichkeiten, mit denen Speicherverluste überwunden werden können, darunter:

• Geben Sie zugewiesenen Arbeitsspeicher frei. Dies ist die grundlegendste, aber auch wichtigste Methode, um mit Speicherlecks umzugehen. Stellen Sie für jeden vom Programm zugewiesenen Speicher sicher, dass Arbeitsspeicher freigegeben wird, wenn er nicht mehr benötigt wird. Verwenden Sie Funktionen wie free() oder delete für Speicher, der mit malloc() oder new zugewiesen wurde. Verwenden Sie Funktionen wie „Mit Ressourcen testen“ oder „Verwenden Sie für Arbeitsspeicher“, der mit Ressourcen belegt ist, die geschlossen werden müssen, z. B. Dateien oder Netzwerkverbindungen.
• Entfernen Sie Verweise auf Objekte, die nicht mehr benötigt werden. Dies ist der effektivste, aber auch der schwierigste Weg, um mit Speicherlecks umzugehen. Stellen Sie für jedes Objekt, auf das das Programm verweist, sicher, dass keine Referenzen mehr vorhanden sind, wenn das Objekt nicht mehr benötigt wird. Verwenden Sie Features wie schwache Verweise oder weiche Verweise für Objekte, die vom Garbage Collector freigegeben werden können, wenn der Arbeitsspeicher knapp wird. Verwenden Sie Funktionen wie nullify oder clear, um Verweise auf Objekte explizit zu entfernen. Verwenden Sie Funktionen wie „Registrierung aufheben“ oder „Entfernen“, um Listener oder Rückrufe zu bereinigen, die Sie nicht mehr benötigen.
• Ordnen Sie Arbeitsspeicher nach Bedarf zu. Dies ist der einfachste, aber auch nützlichste Weg, um mit Speicherverlusten umzugehen. Stellen Sie für jeden vom Programm zugewiesenen Speicher sicher, dass er den Anforderungen des Programms entspricht. Verwenden Sie Funktionen wie „Größe ändern“ oder „Trimmen“, um die Größe des zugewiesenen Speichers entsprechend der verwendeten Datenmenge anzupassen. Verwenden Sie Features wie Cache oder Pool, um häufig verwendeten und freigegebenen Arbeitsspeicher zu verwalten. Verwenden von Funktionen
• Beenden Sie das problematische Programm oder den problematischen Prozess, z. B. mithilfe des Task-Managers, der Aktivitätsanzeige oder von top. Durch das Beenden des problematischen Programms oder Prozesses kann Speicher freigegeben werden, der von diesem Programm oder Prozess zugewiesen oder verloren gegangen ist, sodass er von anderen Programmen oder Prozessen verwendet werden kann.
• Aktualisieren Sie das Betriebssystem, die Treiber oder Anwendungen, z. B. mithilfe von Windows Update, Softwareaktualisierung oder apt-get. Durch das Aktualisieren des Betriebssystems, der Treiber oder der Anwendungen können Fehler behoben werden, die zu Speicherverlusten führen, sodass Arbeitsspeicher von Programmen oder Prozessen ordnungsgemäß zugewiesen und freigegeben werden kann.
• Ändern Sie Betriebssystemeinstellungen, Treiber oder Anwendungen, z. B. mithilfe der Systemsteuerung, der Systemeinstellungen oder Konfigurationsdateien. Durch das Ändern von Betriebssystemeinstellungen, Treibern oder Anwendungen kann die Speicherauslastung durch Programme oder Prozesse optimiert werden, sodass Arbeitsspeicher von Programmen oder Prozessen effizient zugewiesen und freigegeben werden kann.
• Fügen Sie physischen oder virtuellen Speicher hinzu, z. B. durch die Installation von zusätzlichem RAM oder durch Festlegen der Größe der Auslagerungsdatei oder Auslagerungsdatei. Durch Hinzufügen von physischem oder virtuellem Speicher kann die im System verfügbare Speicherkapazität erhöht werden, sodass Speicher von Programmen oder Prozessen leichter zugewiesen und freigegeben werden kann.
• Verwenden Sie ein Tool zur Speicheroptimierung,  z. B. Memory Cleaner, RAMBooster oder CleanMem. Tools zur Speicheroptimierung können Speicher bereinigen oder freigeben, der nicht von Programmen oder Prozessen verwendet wird oder verloren geht, sodass der Arbeitsspeicher von anderen Programmen oder Prozessen verwendet werden kann.

Schlussfolgerung

Speicherlecks sind ein Problem, das die Systemleistung und -stabilität beeinträchtigen kann. Ein Speicherverlust tritt auf, wenn ein Programm oder ein Prozess Arbeitsspeicher vom Betriebssystem zuweist, ihn aber nicht wiederherstellt, wenn er nicht mehr benötigt wird. Speicherverluste können mithilfe von Ressourcenmonitoren, Speicheranalysetools oder Speichertesttools erkannt werden.

Speicherverluste können behoben werden, indem problematische Programme oder Prozesse beendet, das Betriebssystem, Treiber oder Anwendungen aktualisiert, Betriebssystemeinstellungen, Treiber oder Anwendungen geändert, physischer oder virtueller Speicher hinzugefügt oder Tools zur Speicheroptimierung verwendet werden. Durch die Überwindung von Speicherlecks können wir die Systemleistung und -stabilität verbessern.