内存泄露检测工具Valgrind

内存泄露简介

什么是内存泄漏

　　内存泄漏（Memory Leak）是指程序中已动态分配的堆内存由于某种原因，程序未释放或无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果。
　　内存泄漏缺陷具有隐蔽性、积累性的特征，比其他内存非法访问错误更难检测。因为内存泄漏的产生原因是内存块未被释放，属于遗漏型缺陷而不是过错型缺陷。此外，内存泄漏通常不会直接产生可观察的错误症状，而是逐渐积累，降低系统整体性能，极端的情况下可能使系统崩溃。

内存泄露产生的方式

以产生的方式来分类，内存泄漏可以分为四类：

• 常发性会内存泄漏：发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行时都导致一块内存泄漏。
• 偶发性内存泄漏：发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要。
• 一次性内存泄漏：发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，导致总会有一块且仅有一块内存发生泄漏。
• 隐式内存泄漏：程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏。从用户使用程序的角度来看，内存泄漏本身不会产生什么危害，作为一般的用户，根本感觉不到内存泄漏的存在。真正有危害的是内存泄漏的堆积，这会最终耗尽系统所有的内存。从这个角度来说，一次性内存泄漏并没有什么危害，因为它不会堆积，而隐式内存泄漏危害性则非常大，因为较之于常发性和偶发性内存泄漏它更难被检测到。

Valgrind

简介

　　Valgrind具是一个用于调试和分析Linux程序的GPL系统。使用Valgrind的工套件，您可以自动检测许多内存管理和线程错误，使程序更稳定。还可以执行详细的分析以帮助加速程序的执行。
　　Valgrind是Julian Seward的作品。Valgrind是运行在Linux上一套基于仿真技术的程序调试和分析工具，它包含一个内核，一个软件合成的CPU，和一系列的小工具。如下图所示：

安装 

　　CentOS安装：

# sudo yum install valgrind -y

　　Ubuntu 安装：

# sudo apt install valgrind -y

示例程序

　　给出一个简单示例malloc.c 。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void fun()
{
         int *x = malloc(10 * sizeof(int));
         x[10] = 0;
}
int main()
{
         int i = 99;
         fun();
         printf("i = %d
"，i);
         return 0;
}

　　以上代码存在两个问题：

• 没有free掉申请的资源；
• fun函数里面越界了，x[10]是非法的。

Memcheck

　　是最常用的小工具，用来检测程序中出现的内存问题，所有对内存的读写都会被检测到，一切对malloc和free的调用都会被捕获，它能检测下列问题：

• 对未初始化内存的使用；
• 读/写释放后的内存块；
• 读/写超出malloc分配的内存块；
• 读/写不适当的栈中的内存块；
• 内存泄漏，指向一块内存的指针永远丢失；
• 不正确的malloc/free或new/delete匹配；
• memcpy相关函数中的dst和src指针重叠；

　　我们使用Memcheck小工具来检测存在的问题。
　　编译：gcc -Wall -o malloc malloc.c
　　检测：valgrind ./malloc
　　　　--show-reachable=<yes|no> [default: no]
　　　　--leak-check=full 查看更为详细信息

　　其中，34496是程序运行时的进程号。
　　Invalid write of size 4：表示非法写入（越界），下面是告诉我们错误发生的位置，在main中调用的fun函数。
　　HEAP SUMMARY：说明了堆的情况，可以看到申请了40个字节，后面说有1个申请，0个被free。
　　LEAK SUMMARY：也是说的堆的泄漏情况，明显丢失的有40个字节。
　　如果main中的i未初始化，这里还会有一些其他的错误。

# gcc -Wall -o malloc malloc.c                                                                     
malloc.c: In function ‘main’:
malloc.c:22:16: warning: ‘i’ is used uninitialized in this function [-Wuninitialized]   # 未初始化变量
          printf("i = %d
"，i);                                                                                            
                ^
[root@localhost memcheck]# valgrind ./malloc                                                                                
==34555== Memcheck，a memory error detector                                                                                 
==34555== Copyright (C) 2002-2017，and GNU GPL'd，by Julian Seward et al.                                                   
==34555== Using Valgrind-3.13.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info                                                
==34555== Command: ./malloc                                                                                                 
==34555==                                                                                                                   
==34555== Invalid write of size 4                                                                                           
==34555==    at 0x40057B: fun (in /root/memcheck/malloc)                                                                    
==34555==    by 0x400594: main (in /root/memcheck/malloc)                                                                   
==34555==  Address 0x5203068 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd                                                    
==34555==    at 0x4C29BC3: malloc (vg_replace_malloc.c:299)                                                                 
==34555==    by 0x40056E: fun (in /root/memcheck/malloc)
==34555==    by 0x400594: main (in /root/memcheck/malloc)
==34555== 
==34555== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==34555==    at 0x4E80B9E: vfprintf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E893E8: printf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4005A8: main (in /root/memcheck/malloc)
==34555== 
==34555== Use of uninitialised value of size 8
==34555==    at 0x4E7E26B: _itoa_word (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E824F0: vfprintf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E893E8: printf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4005A8: main (in /root/memcheck/malloc)
==34555== 
==34555== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==34555==    at 0x4E7E275: _itoa_word (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E824F0: vfprintf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E893E8: printf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4005A8: main (in /root/memcheck/malloc)
==34555== 
==34555== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==34555==    at 0x4E8253F: vfprintf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E893E8: printf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4005A8: main (in /root/memcheck/malloc)
==34555== 
==34555== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==34555==    at 0x4E80C6B: vfprintf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E893E8: printf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4005A8: main (in /root/memcheck/malloc)
==34555== 
==34555== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==34555==    at 0x4E80CEE: vfprintf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4E893E8: printf (in /usr/lib64/libc-2.17.so)
==34555==    by 0x4005A8: main (in /root/memcheck/malloc)
==34555== 
i = 0
==34555== 
==34555== HEAP SUMMARY:
==34555==     in use at exit: 40 bytes in 1 blocks
==34555==   total heap usage: 1 allocs，0 frees，40 bytes allocated
==34555== 
==34555== LEAK SUMMARY:
==34555==    definitely lost: 40 bytes in 1 blocks
==34555==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==34555==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==34555==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==34555==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==34555== Rerun with --leak-check=full to see details of leaked memory
==34555== 
==34555== For counts of detected and suppressed errors，rerun with: -v
==34555== Use --track-origins=yes to see where uninitialised values come from
==34555== ERROR SUMMARY: 7 errors from 7 contexts (suppressed: 0 from 0)

Callgrind

　　和gprof 类似的分析工具，但它对程序的运行观察更细致入微，能给我们提供更多的信息。和gprof不同，它不需要在编译源代码时添加附加特殊选项，但加上调试选项是推荐的。
　　Callgrind收集程序运行时的一些数据，建立函数调用关系图，还可以有选择的进行cache模拟。在运行结束时，它会把分析数据写入一个文件，callgrind_annotate可以把这个文件的内容转化成可读的形式。

　　Callgrind可以帮助我们对程序的运行进行观察。

# valgrind --tool=callgrind ./malloc

　　

　　可以看到生成了一个文件callgrind.out.34755，同样34755为程序运行时的进程号。当callgrind运行你的程序时，还可以使用callgrind_control来观察程序的执行，而且不会干扰它的运行。
　　显示程序的详细信息：

# callgrind_annotate callgrind.out.34755

　　

Cachegrind

　　Cache分析器，它模拟CPU中的一级缓存I1，DI和二级缓存，能够精确的指出程序中cache的丢失和命中。如果需要，它还能为我们提供cache丢失次数，内存引用次数，以及每行代码，每个函数，每个模块整个程序产生的指令数，这对优化程序有很大的帮助。　　

# valgrind --tool=cachegrind ./mallo

Helgrind

　　用来检测多线程程序中出现的竞争问题。Helgrind寻找内存中内对个线程访问，而又没有一贯加锁的区域。这些区域往往是线程之间失去同步的情况，而且会导致难以发掘的错误。
　　Helgrind实现了名为“Eraser”的竞争检测算法，并做了进一步改进，减少了报告错误的次数。不过Helgrinf仍然处于实验阶段。

Massif

　　堆栈分析器，它能测量程序在堆栈中使用了多少内存，告诉我们堆块，堆管理块和栈的大小。Massif能帮助我们减少内存的使用，在代用虚拟内存的现代系统中，它还能加速我们程序的运行，减少程序停留在交换区中的几率。

　　此外，lackey和nulgrind也会提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是为开发者展示如何创建一个工具。

参考

　　Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具
　　　　https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51959654
　　Linux下检测内存泄露的工具 valgrind
　　　　https://cloud.tencent.com/developer/article/1075945
　　Valgrind调试
　　　　http://www.voidcn.com/article/p-xyrqgaum-yq.html