使用valgrind检查内存

　　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，是公认的最接近Purify的产品，它包含一个内核——一个软件合成的CPU，和一系列的小工具，每个工具都可以完成一项任务——调试，分析，或测试等。Valgrind可以检测内存泄漏和内存越界，还可以分析cache的使用等，灵活轻巧而又强大。    

1.Valgrind概观

Valgrind的最新版是3.2.3，该版本包含下列工具：

    1)memcheck：检查程序中的内存问题，如泄漏、越界、非法指针等。

    2)callgrind：检测程序代码覆盖，以及分析程序性能。

    3)cachegrind：分析CPU的cache命中率、丢失率，用于进行代码优化。

    4)helgrind：用于检查多线程程序的竞态条件。

    5)massif：堆栈分析器，指示程序中使用了多少堆内存等信息。

    6)lackey：

    7)nulgrind：

2.Valgrind工具详解

2.1 Memcheck

    最常用的工具，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、free、new、delete的调用都会被捕获。所以，它能检测以下问题：

       1)对未初始化内存的使用；

       2)读/写释放后的内存块；

       3)读/写超出malloc分配的内存块；

       4)读/写不适当的栈中内存块；

       5)内存泄漏，指向一块内存的指针永远丢失；

       6)不正确的malloc/free或new/delete匹配；

       7)memcpy()相关函数中的dst和src指针重叠。

　　这些问题往往是C/C++程序员最头疼的问题，Memcheck能在这里帮上大忙。

2.2 Callgrind

    和gprof类似的分析工具，但它对程序的运行观察更是入微，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，还可以有选择地进行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。

    说明：这个工具我也没有用会，网上基本没有找到有指导性的文档，暂时留在后面慢慢研究吧。

2.3 Cachegrind

       Cache分析器，它模拟CPU中的一级缓存I1，Dl和二级缓存，能够精确地指出程序中cache的丢失和命中。如果需要，它还能够为我们提供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。作一下广告：valgrind自身利用该工具在过去几个月内使性能提高了25%-30%。据早先报道，kde的开发team也对valgrind在提高kde性能方面的帮助表示感谢。

2.4 Helgrind

    它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。Helgrind寻找内存中被多个线程访问，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地方，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，Helgrind仍然处于实验阶段。

2.5 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，在带有虚拟内存的现代系统中，它还能够加速我们程序的运行，减少程序停留在交换区中的几率。Massif对内存的分配和释放做profile。程序开发者通过它可以深入了解程序的内存使用行为，从而对内存使用进行优化。这个功能对C++尤其有用，因为C++有很多隐藏的内存分配和释放。 

　　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。我们就不做介绍了。

3.使用Valgrind

       Valgrind使用起来非常简单，你甚至不需要重新编译你的程序就可以用它。当然如果要达到最好的效果，获得最准确的信息，还是需要按要求重新编译一下的。比如在使用memcheck的时候，最好关闭优化选项。

       valgrind命令的格式如下：

       valgrind [valgrind-options] your-prog [your-prog options]

一些常用的选项如下：

选项	作用
-h --help	显示帮助信息。
--version	显示valgrind内核的版本，每个工具都有各自的版本。
-q --quiet	安静地运行，只打印错误信息。
-v --verbose	打印更详细的信息。
--tool=<toolname> [default: memcheck]	最常用的选项。运行valgrind中名为toolname的工具。如果省略工具名，默认运行memcheck。
--db-attach=<yes|no> [default: no]	绑定到调试器上，便于调试错误。

 

3.1 检测内存泄漏

    示例代码如下：

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

int main(void)

{

       char *ptr;

       ptr = (char *)malloc(10);

       return 0;

}

　　保存为memleak.c并编译，然后用valgrind检测。

$ gcc -o memleak memleak.c

　　（valgrind和purify最大的不同在于：valgrind只接管程序执行的过程，编译时不需要valgrind干预，而purify会干预程序编译过程）

$ valgrind --tool=memcheck ./memleak

　　我们得到如下错误信息：

[konten@tencent test_valgrind]$ valgrind ./memleak

==29646== Memcheck, a memory error detector.

==29646== Copyright (C) 2002-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.

==29646== Using LibVEX rev 1732, a library for dynamic binary translation.

==29646== Copyright (C) 2004-2007, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.

==29646== Using valgrind-3.2.3, a dynamic binary instrumentation framework.

==29646== Copyright (C) 2000-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.

==29646== For more details, rerun with: -v

==29646==

==29646==

==29646== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 15 from 1)

==29646== malloc/free: in use at exit: 10 bytes in 1 blocks.   //指示在程序退出时，还有多少内存没有释放。

==29646== malloc/free: 1 allocs, 0 frees, 10 bytes allocated. // 指示该执行过程malloc和free调用的次数。

==29646== For counts of detected errors, rerun with: -v // 提示如果要更详细的信息，用-v选项。

==29646== searching for pointers to 1 not-freed blocks.

==29646== checked 56,164 bytes.

==29646==

==29646== LEAK SUMMARY:

==29646==    definitely lost: 10 bytes in 1 blocks.

==29646==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks.

==29646==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks.

==29646==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks.

==29646== Rerun with --leak-check=full to see details of leaked memory.

[konten@tencent test_valgrind]$

　　以上结果中，红色的是手工添加的说明信息，其他是valgrind的输出。可以看到，如果我们仅仅用默认方式执行，valgrind只报告内存泄漏，但没有显示具体代码中泄漏的地方。

     因此我们需要使用 “--leak-check=full”选项启动 valgrind，我们再执行一次：

[konten@tencent test_valgrind]$ valgrind --leak-check=full ./memleak

==29661== Memcheck, a memory error detector.

==29661== Copyright (C) 2002-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.

==29661== Using LibVEX rev 1732, a library for dynamic binary translation.

==29661== Copyright (C) 2004-2007, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.

==29661== Using valgrind-3.2.3, a dynamic binary instrumentation framework.

==29661== Copyright (C) 2000-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.

==29661== For more details, rerun with: -v

==29661==

==29661==

==29661== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 15 from 1)

==29661== malloc/free: in use at exit: 10 bytes in 1 blocks.

==29661== malloc/free: 1 allocs, 0 frees, 10 bytes allocated.

==29661== For counts of detected errors, rerun with: -v

==29661== searching for pointers to 1 not-freed blocks.

==29661== checked 56,164 bytes.

==29661==

==29661== 10 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1

==29661==    at 0x401A846: malloc (vg_replace_malloc.c:149)

==29661==    by 0x804835D: main (memleak.c:6)

==29661==

==29661== LEAK SUMMARY:

==29661==    definitely lost: 10 bytes in 1 blocks.

==29661==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks.

==29661==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks.

==29661==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks.

[konten@tencent test_valgrind]$

　　和上次的执行结果基本相同，只是多了上面蓝色的部分，指明了代码中出现泄漏的具体位置。

　　以上就是用valgrind检查内存泄漏的方法，用到的例子比较简单，复杂的代码最后结果也都一样。

3.2 其他内存问题

     我们下面的例子中包括常见的几类内存问题：堆中的内存越界、踩内存、栈中的内存越界、非法指针使用、重复free。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
    char *ptr = malloc(10);
    ptr[12] = 'a'; // 内存越界

    memcpy(ptr +1, ptr, 5); // 踩内存

    char a[10];
    a[12] = 'i'; // 数组越界

     free(ptr); // 重复释放
     free(ptr);
    char *p1;
    *p1 = '1'; // 非法指针

    return 0;
}

编译：

gcc -o invalidptr invalidptr.c -g

执行：

valgrind --leak-check=full ./invalidptr

结果如下：

[konten@tencent test_valgrind]$ valgrind --leak-check=full ./invalidptr

==29776== Memcheck, a memory error detector.

==29776== Copyright (C) 2002-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.

==29776== Using LibVEX rev 1732, a library for dynamic binary translation.

==29776== Copyright (C) 2004-2007, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.

==29776== Using valgrind-3.2.3, a dynamic binary instrumentation framework.

==29776== Copyright (C) 2000-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.

==29776== For more details, rerun with: -v

==29776==

==29776== Invalid write of size 1 //堆内存越界被查出来

==29776==    at 0x80483D2: main (invalidptr.c:7)

==29776== Address 0x4159034 is 2 bytes after a block of size 10 alloc'd

==29776==    at 0x401A846: malloc (vg_replace_malloc.c:149)

==29776==    by 0x80483C5: main (invalidptr.c:6)

==29776==

==29776== Source and destination overlap in memcpy(0x4159029, 0x4159028, 5) //踩内存

==29776==    at 0x401C96D: memcpy (mc_replace_strmem.c:116)

==29776==    by 0x80483E6: main (invalidptr.c:9)

==29776==

==29776== Invalid free() / delete / delete[] //重复释放

==29776==    at 0x401B3FB: free (vg_replace_malloc.c:233)

==29776==    by 0x8048406: main (invalidptr.c:16)

==29776== Address 0x4159028 is 0 bytes inside a block of size 10 free'd

==29776==    at 0x401B3FB: free (vg_replace_malloc.c:233)

==29776==    by 0x80483F8: main (invalidptr.c:15)

==29776==

==29776== Use of uninitialised value of size 4

==29776==    at 0x804840D: main (invalidptr.c:19)

==29776== //非法指针，导致coredump

==29776== Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV): dumping core

==29776== Bad permissions for mapped region at address 0x80482AD

==29776==    at 0x804840D: main (invalidptr.c:19)

==29776==

==29776== ERROR SUMMARY: 4 errors from 4 contexts (suppressed: 15 from 1)

==29776== malloc/free: in use at exit: 0 bytes in 0 blocks.

==29776== malloc/free: 1 allocs, 2 frees, 10 bytes allocated.

==29776== For counts of detected errors, rerun with: -v

==29776== All heap blocks were freed -- no leaks are possible.

Segmentation fault

[konten@tencent test_valgrind]$

　　从上面的结果看出，除了栈内存越界外，其他常见的内存问题都可以用valgrind简单的查出来。

3.3 显示代码覆盖

       用callgrind工具能方便的显示程序执行的代码覆盖情况。

       看如下例子：   

3.4 显示线程竞态条件 <该版本暂不支持>

       用helgrind工具可以在多线程代码中找到可能产生竞态条件的地方。

4.memcheck 工具的常用选型

4.1 leak-check

    --leak-check=<no|summary|yes|full> [default: summary]

    用于控制内存泄漏检测力度。

    no，不检测内存泄漏；

    summary，仅报告总共泄漏的数量，不报告具体泄漏位置；

    yes/full，报告泄漏总数、泄漏的具体位置

4.2 show-reachable

    --show-reachable=<yes|no> [default: no]

    用于控制是否检测控制范围之外的泄漏，比如全局指针、static指针等。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
//char *gptr = NULL;

int main(void)
{
    gptr = (char *)malloc(10);

    return 0;
}

　　对应以上代码，若--show-reachable为no，则valgrind不报告内存泄漏，否则会报告。

4.3 undef-value-errors

　　--undef-value-errors=<yes|no> [default: yes]

　　用于控制是否检测代码中使用未初始化变量的情况。

　　对应以下代码：

1 int a;
2 printf("a = %d 
", a);

　　若 --undef-value-errors＝no，则valgrind不报告错误，否则报告“Use of uninitialised value ...”的错误。

4.4 其他选项

--log-file=filename 将结果输出到文件。
--log-socket=192.168.0.1:12345 输出到网络。
--trace-children=<yes|no> [default: no]
--track-fds=<yes|no> [default: no]
--log-fd=<number> [default: 2, stderr]
--xml=<yes|no> [default: no]
--num-callers=<number> [default: 12]
--show-below-main=<yes|no> [default: no]

5.Valgrind的编译安装

5.1 下载源代码

　　下载地址http://valgrind.org/downloads/current.html#current ，截止目前为止，最新版本是3.2.3

5.2 编译

　　编译，在源代码目录下执行：

./configure --prefix=[你自己的安装目录]
make;make install

       便好了。

5.3 配置缺省选项

      valgrind提供3种方式用于设置缺省选项：

          a、~/.valgrindrc文件；

       b、环境变量$VALGRIND_OPTS；

       c、当前目录下的.valgrindrc文件；

       优先顺序为 a、b、c

   .valgrindrc的格式为：          

--ToolName:OptionName=OptionVal

       如：

--memcheck:leak-check=yes
--memcheck:show-reachable=yes