Fuite de mémoire : Causes, détection, et comment y remédier

Chaque programme que nous exécutons, qu'il soit petit ou grand, nécessite de la mémoire pour être traité. Cependant, lorsqu'un programme utilise de la mémoire et néglige de la libérer après usage, il en résulte une fuite de mémoire. 

Au fil du temps, l'augmentation des fuites de mémoire peut entraîner des pénuries de stockage et l'impossibilité de traiter les tâches à venir. C'est pourquoi la détection et la gestion des fuites de mémoire sont essentielles pour éviter les erreurs inutiles.

Dans cet article, nous allons explorer en profondeur les fuites de mémoire. Commençons !

Qu'est-ce qu'une fuite de mémoire ?

Les fuites de mémoire se produisent lorsqu'un programme ou une application utilise de la mémoire et ne la libère pas après usage. Par mémoire, j'entends la mémoire vive - ne la confondez pas avec la mémoire du disque dur.  Ces fuites s'accumulent progressivement, laissant la mémoire vive trop pleine pour gérer de nouveaux processus. 

Les fuites de mémoire épuisent la mémoire vive et ont un impact sur les performances en augmentant les opérations d'entrée/sortie. Lorsque les fuites de mémoire s'accumulent, le système tente de libérer la RAM en transférant les données sur le disque, ce qui entraîne une augmentation des opérations d'E/S sur le disque.

La sécurité est également menacée lorsque des fuites de mémoire bloquent des données sensibles. Si des informations telles que des mots de passe ou des clés de chiffrement restent dans la mémoire vive plus longtemps que nécessaire, elles sont plus vulnérables aux attaquants.

Exemples de fuites de mémoire dans des langages de programmation populaires

Pour mieux comprendre comment se produisent les fuites de mémoire, il n'y a rien de mieux que de les voir en action à l'aide de quelques exemples. 

Fuites de mémoire en Python

Python s'appuie sur le comptage de références pour la gestion de la mémoire. Il supprime un objet lorsque son nombre de références, c'est-à-dire le nombre d'autres objets qui s'y réfèrent, tombe à zéro. Toutefois, il présente certaines limites, comme le fait que ne gère pas les références circulaires.

Pour ceux qui ne sont pas familiers avec ce terme, une référence circulaire se produit lorsque deux variables ou plus se réfèrent l'une à l'autre de manière circulaire. 

Par exemple, l'objet a renvoie à b, b renvoie à c, et c renvoie à a, ce qui constitue une boucle sans fin. Ici, le nombre de références ne peut jamais devenir 0, et les objets restent en mémoire pour toujours, ce qui entraîne des fuites de mémoire dans Python.

class Node:
    def __init__(self, value):
        self.value = value
        self.next = None 

# Create two nodes
node1 = Node(1)
node2 = Node(2)

# Establish a circular reference
node1.next = node2  # node1 refers to node2
node2.next = node1  # node2 refers back to node1

L'extrait de code ci-dessus montre une référence circulaire. Python dispose d'un ramasse-miettes pour gérer ces scenarios. Néanmoins, s'il ne parvient pas à gérer des scénarios spécifiques, comme lors de l'utilisation de variables globales, vous devez gérer manuellement les fuites de mémoire en définissant les références d'objets qui ne sont plus utilisées sur None.

Je vous recommande d'apprendre à écrire des classes à mémoire efficace en Python pour accélérer le temps d'exécution tout en consommant moins de ressources.

Fuites de mémoire en Java

Java gère automatiquement la mémoire et ne nécessite pas d'aide explicite de la part des programmeurs. Toutefois, dans des cas tels que des enregistrements d'auditeurs inappropriés ou des références statiques, le ramasse-miettes peut ne pas réussir à libérer l'espace, ce qui entraîne des fuites de mémoire. Voyons comment cela peut se produire :

• Une source d'événements génère des événements, et un objet d'écoute s'enregistre pour être notifié lorsque ces événements se produisent. 
• Si la source d'événements contient une référence forte à l'écouteur, ce dernier ne peut pas être ramassé tant que la source d'événements est vivante, même si l'écouteur n'est plus utilisé. 

Dans ce cas, des fuites de mémoire peuvent se produire. Pour les éviter, désenregistrez manuellement les écouteurs lorsqu'ils ne sont plus nécessaires.

Une autre cause fréquente de fuites de mémoire est la présence de variables statiques. Les variables statiques sont stockées en mémoire pendant toute la durée du cycle de vie. Ainsi, s'ils font référence à des objets, ces objets ne seront pas ramassés, même s'ils ne sont plus utilisés, ce qui entraînera des fuites de mémoire. Par exemple :

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class StaticMemoryLeak {

    // Static list
    private static List<Object> staticList = new ArrayList<>();

    public static void addObject(Object obj) {
        // Add the object to the static list
        staticList.add(obj);
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Object obj = new byte[1024 * 1024];
            // Add the object to the static list
            addObject(obj);
        }
    }
}

Dans le programme ci-dessus, la variable staticList est déclarée comme un tableau statique et des objets y sont ajoutés. La boucle est exécutée 1000 fois, en ajoutant 1 Mo d'objets à chaque fois, ce qui représente 1 Go de mémoire totale. 

La liste étant statique, elle ne perdra jamais les références aux objets tant que le programme est en cours d'exécution. Le ramasse-miettes ne peut donc pas supprimer ces objets et 1 Go de mémoire sera conservé pendant toute la durée du cycle de vie. Cette mémoire objet inutilisée peut provoquer des erreurs sur le site OutOfMemoryError. Pour remédier à ce problème, vous devez appeler explicitement staticList.clear() et libérer la mémoire.

Fuites de mémoire en C/C++

Contrairement à Java et Python, C++ ne contient pas de garbage collector automatique. Ainsi, les fuites de mémoire en C++ se produisent lorsque les programmeurs allouent de la mémoire et oublient de la désallouer. Par exemple, 

void sample_leak() { 
    int* ptr = new int(5);
    return; 
}

Dans l'extrait ci-dessus, le pointeur contient l'adresse mémoire où est stocké l'entier 5. Lorsque la fonction se termine, la variable locale ptr sort du champ d'application, mais la mémoire allouée sur le tas demeure, ce qui provoque une fuite de mémoire. 

Pour éviter cela, ajoutez explicitement la ligne delete ptr; pour désallouer la mémoire.

Fuites de mémoire en JavaScript

Javascript dispose d'un collecteur de déchets qui gère automatiquement la mémoire. Il fonctionne selon les étapes suivantes : recherche de la racine, suivi récursif de son chemin pour les enfants, et marquage de chaque enfant comme actif ou inactif. Enfin, supprimez toutes les références inactives. 

Toutefois, le ramasse-miettes peut ne pas libérer la mémoire dans les cas suivants :

1. Variables globales : Lorsque vous oubliez de déclarer une variable avec let, var, ou const, Javascript la crée automatiquement en tant que variable globale. Tant que le programme fonctionne, les variables globales restent en mémoire et sont toujours accessibles, ce qui empêche le ramasse-miettes de les libérer. 
2. setTimeOut(): Le site setTimeOut() planifie l'exécution d'une fonction de rappel après un certain temps. Une fuite de mémoire peut se produire si cette fonction de rappel conserve la référence plus longtemps. En voici un exemple :

function TimeoutExample() {
  var obj = 10; 
  setTimeout(function() {
    console.log(obj); 
  }, 1000);  // This runs after 1 second
}

TimeoutExample();

Dans le code ci-dessus, même après la fin de la fonction TimeoutExample(), obj conserve une référence jusqu'à l'exécution de la fonction de rappel, car obj est utilisé dans la fonction de rappel. Si cela se produit avec des objets de grande taille, cela entraîne de graves fuites de mémoire. 

Causes des fuites de mémoire

Comme nous l'avons mentionné, des fuites de mémoire peuvent se produire dans différents langages de programmation pour différentes raisons. Certains langages ne disposent pas d'un ramassage automatique des ordures, tandis que d'autres ne parviennent pas à libérer la mémoire dans des situations anormales. 

Examinons en détail quelques raisons courantes :

• Références inédites : Chaque fois que nous créons des objets ou des variables, le système leur alloue de la mémoire ou des références. Le fait de ne pas fermer ces références après utilisation peut bloquer la mémoire. Ce type de mémoire s'accumule au fil du temps et entraîne des problèmes de mémoire. 
• Références circulaires : Les références circulaires se produisent lorsque plusieurs objets se référencent mutuellement, formant ainsi une boucle. Même si les objets ne sont plus utilisés, ils restent référencés par d'autres objets dans le cycle, ce qui empêche le ramasse-miettes de récupérer leur mémoire.
• Une mauvaise gestion des ressources : Parfois, nous ne faisons pas l'effort de fermer correctement les connexions aux bases de données, les sockets réseau ou les handles de fichiers après utilisation. Cette ignorance peut entraîner de graves problèmes de fuite de mémoire. Par exemple, le système d'exploitation dispose d'un nombre limité de descripteurs de fichiers pour gérer les fichiers ouverts. Si les fichiers ne sont jamais fermés, le système d'exploitation se retrouve à court de descripteurs de fichiers, ce qui l'empêche d'ouvrir de nouveaux fichiers.
• Utilisation abusive de variables statiques : Les fuites de mémoire sont souvent dues à une utilisation excessive de variables statiques. Comme les variables statiques restent actives pendant toute la durée de vie du programme, les objets qu'elles référencent restent en mémoire, même lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Pour éviter les fuites de mémoire, ces objets doivent être explicitement libérés ou éviter l'utilisation de variables statiques.
• Bibliothèques et cadres externes : Les bibliothèques tierces et les cadres externes peuvent également introduire des fuites de mémoire en raison d'une gestion inefficace des ressources. Les fuites de mémoire se produisent lorsqu'elles utilisent les ressources de votre système et ne parviennent pas à les libérer. 

Comment détecter les fuites de mémoire ?

Maintenant que nous avons examiné les raisons des fuites de mémoire, nous allons aborder quelques méthodes de détection fiables pour les repérer et les déboguer.

• Inspection manuelle : Examinez soigneusement le code pour identifier les causes potentielles de fuites de mémoire, telles que les références circulaires, les variables statiques, les instructions de désallocation manquantes ou les variables contenant des références à des objets inutilisés.  En inspectant minutieusement ces modèles dans le code, vous pouvez repérer le problème exact et le résoudre de manière proactive. 
• Utiliser les outils de débogage : Il existe plusieurs outils de débogage et bibliothèques propres à différents langages de programmation pour détecter les fuites de mémoire. Par exemple, Python tracemalloc nous permet de comparer des instantanés de mémoire à différents moments et de surveiller les allocations de mémoire entre ces échéances.  De plus, le profileur de mémoire de Python nous permet dedéboguer chaque ligne de code et de repérer les zones où l'utilisation de la mémoire est excessive de manière inattendue.
• Contrôle de l'utilisation de la mémoire : Les outils de contrôle de la mémoire surveillent de manière proactive la consommation de mémoire et détectent les problèmes en temps réel. Ces outils vous alertent sur les problèmes de mémoire critiques et fournissent des journaux pertinents, ainsi que des suggestions sur la manière de les résoudre. Les exemples incluent Valgrind, Paessler, AddressSanitizer, et d'autres. 
• Écrire des tests pour les fuites : Envisagez d'ajouter des tests unitaires qui détectent les fuites de mémoire. Ainsi, outre les problèmes de fonctionnalité et de performance, les fuites de mémoire sont détectées au cours du développement. 
• Écrire des tests d'intégration: Les tests d'intégration doivent également être utilisés pour simuler des scénarios réels et détecter les fuites de mémoire potentielles qui peuvent survenir en production.

Meilleures pratiques pour prévenir les fuites de mémoire

Les fuites de mémoire sont fréquentes dans les applications qui dépendent des ressources mémoire. Voici quelques pratiques que vous pouvez suivre pour les éviter. 

Gestion efficace des ressources

Essayez d'utiliser des langagescomme Java ou Python qui gèrent autommatiquement la mémoire à l'aide de garbage collectors. Sinon, dans des langages comme C ou C++, assurez-vous que toute la mémoire allouée est explicitement supprimée. 

En outre, utilisez des constructions telles que les blocs finally ou des gestionnaires de contexte tels que with en Python ou try-with-resources en Java pour un nettoyage efficace des ressources. Ces pratiques permettent d'éviter les fuites de mémoire et de garantir une bonne gestion des ressources. 

Utiliser des références faibles

Contrairement aux références fortes, les références faibles n'empêchent pas les objets d'être ramassés. Même s'ils contiennent des références aux objets, ils ne tiennent pas compte de l'accessibilité des objets. Ainsi, le ramasse-miettes peut récupérer la mémoire associée à cet objet. Par conséquent, utilisez des références faibles plutôt que des références fortes. 

Examens fréquents du code

Il est important de procéder à des révisions régulières du code afin d'identifier les fuites de mémoire. Lors de l'examen du code, recherchez les schémas courants tels que les ressources non fermées, les références circulaires, les variables globales ou statiques et la mise en cache inefficace. Ainsi, vous trouverez rapidement le problème avant qu'il n'affecte votre système. 

Conclusion

Dans cet article, nous avons exploré les principaux aspects des fuites de mémoire, de leurs causes et exemples aux techniques de détection. Nous avons vu comment différents scénarios peuvent conduire à des fuites de mémoire et comment vous pouvez les gérer. En outre, nous avons discuté des meilleures pratiques à suivre pour éviter les fuites de mémoire à l'avenir.  

Comme nous avons exploré les fuites de mémoire dans différents langages de programmation, je vous recommande d'explorer les cours suivants pour approfondir votre compréhension :

• Programmation orientée objet en Python
• Programmation orientée objet en Java