Valgrind--Linux下的內存調試和代碼解剖工具

Valgrind是一個GPL的軟件，用於Linux（For x86, amd64 and ppc32）程序的內存調試和代碼剖析。你可以在它的環境中運行你的程序來監視內存的使用情況，比如C 語言中的malloc和free或者 C++中的new和 delete。使用Valgrind的工具包，你可以自動的檢測許多內存管理和線程的bug，避免花費太多的時間在bug尋找上，使得你的程序更加穩固。

Valgrind的主要功能

Valgrind工具包包含多個工具，如Memcheck,Cachegrind,Helgrind, Callgrind，Massif。下面分別介紹個工具的作用：

Memcheck 工具主要檢查下面的程序錯誤：

• 使用未初始化的內存 (Use of uninitialised memory)
• 使用已經釋放了的內存 (Reading/writing memory after it has been free’d)
• 使用超過 malloc分配的內存空間(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)
• 對堆棧的非法訪問 (Reading/writing inappropriate areas on the stack)
• 申請的空間是否有釋放 (Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)
• malloc/free/new/delete申請和釋放內存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])
• src和dst的重疊(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)

Callgrind

Callgrind收集程序運行時的一些數據，函數調用關系等信息，還可以有選擇地進行cache 模擬。在運行結束時，它會把分析數據寫入一個文件。callgrind_annotate可以把這個文件的內容轉化成可讀的形式。

Cachegrind

它模擬 CPU中的一級緩存I1,D1和L2二級緩存，能夠精確地指出程序中 cache的丟失和命中。如果需要，它還能夠為我們提供cache丟失次數，內存引用次數，以及每行代碼，每個函數，每個模塊，整個程序產生的指令數。這對優化程序有很大的幫助。

Helgrind

它主要用來檢查多線程程序中出現的競爭問題。Helgrind 尋找內存中被多個線程訪問，而又沒有一貫加鎖的區域，這些區域往往是線程之間失去同步的地方，而且會導致難以發掘的錯誤。Helgrind實現了名為” Eraser” 的競爭檢測算法，並做了進一步改進，減少了報告錯誤的次數。

Massif

堆棧分析器，它能測量程序在堆棧中使用了多少內存，告訴我們堆塊，堆管理塊和棧的大小。Massif能幫助我們減少內存的使用，在帶有虛擬內存的現代系統中，它還能夠加速我們程序的運行，減少程序停留在交換區中的幾率。

Valgrind 安裝

1、 到www.valgrind.org下載最新版valgrind-3.2.3.tar.bz2
2、 解壓安裝包：tar –jxvf valgrind-3.2.3.tar.bz2
3、 解壓後生成目錄valgrind-3.2.3 
4、 cd valgrind-3.2.3
5、 ./configure
6、 Make;make install

Valgrind 使用

用法: valgrind [options] prog-and-args [options]: 常用選項，適用於所有Valgrind工具

1. -tool=<name> 最常用的選項。運行 valgrind中名為toolname的工具。默認memcheck。
2. h –help 顯示幫助信息。
3. -version 顯示valgrind內核的版本，每個工具都有各自的版本。
4. q –quiet 安靜地運行，只打印錯誤信息。
5. v –verbose 更詳細的信息, 增加錯誤數統計。
6. -trace-children=no|yes 跟蹤子線程? [no]
7. -track-fds=no|yes 跟蹤打開的文件描述？[no]
8. -time-stamp=no|yes 增加時間戳到LOG信息? [no]
9. -log-fd=<number> 輸出LOG到描述符文件 [2=stderr]
10. -log-file=<file> 將輸出的信息寫入到filename.PID的文件裡，PID是運行程序的進行ID
11. -log-file-exactly=<file> 輸出LOG信息到 file
12. -log-file-qualifier=<VAR> 取得環境變量的值來做為輸出信息的文件名。 [none]
13. -log-socket=ipaddr:port 輸出LOG到socket ，ipaddr:port

LOG信息輸出

1. -xml=yes 將信息以xml格式輸出，只有memcheck可用
2. -num-callers=<number> show <number> callers in stack traces [12]
3. -error-limit=no|yes 如果太多錯誤，則停止顯示新錯誤? [yes]
4. -error-exitcode=<number> 如果發現錯誤則返回錯誤代碼 [0=disable]
5. -db-attach=no|yes 當出現錯誤，valgrind會自動啟動調試器gdb。[no]
6. -db-command=<command> 啟動調試器的命令行選項[gdb -nw %f %p]

適用於Memcheck工具的相關選項：

1. -leak-check=no|summary|full 要求對leak給出詳細信息? [summary]
2. -leak-resolution=low|med|high how much bt merging in leak check [low]
3. -show-reachable=no|yes show reachable blocks in leak check? [no]

Valgrind 使用舉例

下面是一段有問題的C程序代碼test.c

#include <stdlib.h>
void f(void)
{
   int* x = malloc(10 * sizeof(int));
   x[10] = 0;  //問題1: 數組下標越界
}                  //問題2: 內存沒有釋放

int main(void)
{
   f();
   return 0;
 }

1、 編譯程序test.c
gcc -Wall test.c -g -o test
2、 使用Valgrind檢查程序BUG
valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./test
3、 分析輸出的調試信息
==3908== Memcheck, a memory error detector.
==3908== Copyright (C) 2002-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3908== Using LibVEX rev 1732, a library for dynamic binary translation.
==3908== Copyright (C) 2004-2007, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.
==3908== Using valgrind-3.2.3, a dynamic binary instrumentation framework.
==3908== Copyright (C) 2000-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3908== For more details, rerun with: -v
==3908== 
--3908-- DWARF2 CFI reader: unhandled CFI instruction 0:50
--3908-- DWARF2 CFI reader: unhandled CFI instruction 0:50
/*數組越界錯誤*/
==3908== Invalid write of size 4      
==3908==    at 0x8048384: f (test.c:6)
==3908==    by 0x80483AC: main (test.c:11)
==3908==  Address 0x400C050 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd
==3908==    at 0x40046F2: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==3908==    by 0x8048377: f (test.c:5)
==3908==    by 0x80483AC: main (test.c:11)
==3908== 
==3908== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 14 from 1)
==3908== malloc/free: in use at exit: 40 bytes in 1 blocks. 
==3908== malloc/free: 1 allocs, 0 frees, 40 bytes allocated.
==3908== For counts of detected errors, rerun with: -v
==3908== searching for pointers to 1 not-freed blocks.
==3908== checked 59,124 bytes.
==3908== 
==3908== 
/*有內存空間沒有釋放*/
==3908== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==3908==    at 0x40046F2: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==3908==    by 0x8048377: f (test.c:5)
==3908==    by 0x80483AC: main (test.c:11)
==3908== 
==3908== LEAK SUMMARY:
==3908==    definitely lost: 40 bytes in 1 blocks.
==3908==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks.
==3908==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks.
==3908==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks