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内存泄漏检测工具valgrind神器

2024-01-05 139
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简介： 内存泄漏检测工具valgrind神器

Perface

内存问题是个老生常态的问题，这里发现了一些常见的内存定位检测的工具：

工具 描述
valgrind 一个强大开源的程序检测工具
mtrace GNU扩展, 用来跟踪malloc, mtrace为内存分配函数（malloc, realloc, memalign, free）安装hook函数
dmalloc 用于检查C/C++内存泄露(leak)的工具，即检查是否存在直到程序运行结束还没有释放的内存,以一个运行库的方式发布
memwatch 和dmalloc一样，它能检测未释放的内存、同一段内存被释放多次、位址存取错误及不当使用未分配之内存区域
mpatrol 一个跨平台的 C++ 内存泄漏检测器
dbgmem
Electric Fence

关于其它工具可以阅读这两篇博客：

本文一起来看一下Valgrind。

1 概述

1.1 介绍

Valgrind是一套Linux下，开放源代码（GPL V2）的仿真调试工具的集合。Valgrind由内核（core）以及基于内核的其他调试工具组成。

内核类似于一个框架（framework），它模拟了一个CPU环境，并提供服务给其他工具；

而其他工具则类似于插件 (plug-in)，利用内核提供的服务完成各种特定的内存调试任务。Valgrind的体系结构如下图所示：

1.2 工具

Valgrind的最新版是3.11.0，它一般包含下列工具：

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：

  • 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。

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。

gprof是GNU profiler的缩写，它是一种用于分析程序运行情况的工具。它可以生成一份程序运行时的函数调用关系和每个函数的执行时间等信息的报告，帮助程序员找出程序中消耗时间最多的函数。

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。

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。

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。

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。

Lackey是一个用于OpenGL应用程序的调试工具，它可以帮助开发人员识别和解决OpenGL应用程序中的错误和性能问题。Lackey可以捕获OpenGL函数调用和参数，并将它们显示在一个易于理解的格式中，以帮助开发人员识别问题。

Nulgrind是一个Valgrind工具，用于检测C/C++程序中的内存错误。它可以检测未初始化的内存、内存泄漏、使用已释放内存等问题。Nulgrind可以帮助开发人员找到和修复内存错误，从而提高程序的稳定性和可靠性。

1.3 原理

Memcheck 能够检测出内存问题，关键在于其建立了两个全局表。

Valid-Value 表

对于进程的整个地址空间中的每一个字节(byte)，都有与之对应的 8 个 bits；

对于CPU的每个寄存器，也有一个与之对应的bit向量。

这些bits负责记录该字节或者寄存器值是否具有有效的、已初始化的值。

Valid-Address 表

对于进程整个地址空间中的每一个字节(byte)，还有与之对应的1个bit，负责记录该地址是否能够被读写。

检测原理：

当要读写内存中某个字节时，首先检查这个字节对应的 A bit。如果该A bit显示该位置是无效位置，memcheck则报告读写错误。

内核（core）类似于一个虚拟的 CPU 环境，这样当内存中的某个字节被加载到真实的 CPU 中时，该字节对应的 V bit 也被加载到虚拟的 CPU 环境中。一旦寄存器中的值，被用来产生内存地址，或者该值能够影响程序输出，则 memcheck 会检查对应的V bits，如果该值尚未初始化，则会报告使用未初始化内存错误。

2 安装使用

2.1安装

从官网http://www.valgrind.org下载最新版本（当前3.11）

#tar xvf valgrind-3.11.1.tar.bz2
#cd valgrind-3.11.1
#./configure --prefix=/usr/local/valgrind--指定安装目录
#make
#make install

2.2 命令介绍

用法:

valgrind[options] prog-and-args [options]: 常用选项，适用于所有Valgrind工具

  • -tool= 最常用的选项。运行 valgrind中名为toolname的工具。默认memcheck。
  • 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 更详细的信息, 增加错误数统计。
  • -trace-children=no|yes 跟踪子线程? [no]
  • -track-fds=no|yes 跟踪打开的文件描述？[no]
  • -time-stamp=no|yes 增加时间戳到LOG信息? [no]
  • -log-fd= 输出LOG到描述符文件 [2=stderr]
  • -log-file= 将输出的信息写入到filename.PID的文件里，PID是运行程序的进行ID
  • -log-file-exactly= 输出LOG信息到 file
  • -log-file-qualifier= 取得环境变量的值来做为输出信息的文件名。 [none]
  • -log-socket=ipaddr:port 输出LOG到socket ，ipaddr:port

LOG信息输出:

  • -xml=yes 将信息以xml格式输出，只有memcheck可用
  • -num-callers= show callers in stack traces [12]
  • -error-limit=no|yes 如果太多错误，则停止显示新错误? [yes]
  • -error-exitcode= 如果发现错误则返回错误代码 [0=disable]
  • -db-attach=no|yes 当出现错误，valgrind会自动启动调试器gdb。[no]
  • -db-command= 启动调试器的命令行选项[gdb -nw %f %p]

适用于Memcheck工具的相关选项：

  • -leak-check=no|summary|full 要求对leak给出详细信息? [summary]
  • -leak-resolution=low|med|high how much bt merging in leak check [low]
  • -show-reachable=no|yes show reachable blocks in leak check? [no]

3 应用实践

下面通过介绍几个范例来说明如何使用Memcheck （其他工具暂不涉及，感兴趣可以交流），示例仅供参考，更多用途可在实际应用中不断探索。

3.1数组越界/内存未释放

#include<stdlib.h>
void k(void)
{
  int *x = malloc(8 * sizeof(int));
  x[9] = 0; //数组下标越界
} //内存未释放
int main(void)
{
  k();
  return 0;
}

1）编译程序test.c

gcc -Wall test.c -g -o test     #Wall提示所有告警，-g gdb，-o输出

2）使用Valgrind检查程序BUG

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./test
#--leak-check=full 所有泄露检查
  1. 运行结果如下：
==2989== Memcheck, a memory error detector
==2989== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPL'd, by Julian Seward
et al.
==2989== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for
copyright info
==2989== Command: ./test
==2989==
==2989== Invalid write of size 4
==2989== at 0x4004E2: k (test.c:5)
==2989== by 0x4004F2: main (test.c:10)
==2989== Address 0x4c27064 is 4 bytes after a block of size 32 alloc'd
==2989== at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)
==2989== by 0x4004D5: k (test.c:4)
==2989== by 0x4004F2: main (test.c:10)
==2989==
==2989==
==2989== HEAP SUMMARY:
==2989== in use at exit: 32 bytes in 1 blocks
==2989== total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 32 bytes allocated
==2989==
==2989== 32 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1
of 1
==2989== at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)
==2989== by 0x4004D5: k (test.c:4)
==2989== by 0x4004F2: main (test.c:10)
==2989==
==2989== LEAK SUMMARY:
==2989== definitely lost: 32 bytes in 1 blocks
==2989== indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==2989== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==2989== still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==2989==suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==2989==
==2989== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==2989== ERROR SUMMARY: 2 errors from 2 contexts
(suppressed: 6 from 6)

3.2内存释放后读写

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
  char *p = malloc(1); //分配
  *p = 'a';
  char c = *p;
  printf("\n [%c]\n",c);
  free(p); //释放
  c = *p; //取值
  return 0;
}

1）编译程序t2.c

gcc -Wall t2.c -g -o t2

2）使用Valgrind检查程序BUG

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t2

3) 运行结果如下：

==3058== Memcheck, a memory error detector
==3058== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPL'd, by Julian
Seward et al.
==3058== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h
for copyright info
==3058== Command: ./t2
==3058==
[a]
==3058== Invalid read of size 1
==3058== at 0x4005A3: main (t2.c:14)
==3058== Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size
1 free'd
==3058== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3058== by 0x40059E: main (t2.c:13)
==3058==
==3058==
==3058== HEAP SUMMARY:
==3058== in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==3058== total heap usage: 1 allocs, 1 frees, 1 bytes allocated
==3058==
==3058== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==3058==
==3058== For counts of detected and suppressed errors, rerun with:
-v
==3058== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts
(suppressed: 6 from 6)

从上输出内容可以看到，Valgrind检测到无效的读取操作然后输出“Invalid read of size 1”。

3.3无效读写

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
  char *p = malloc(1); //分配1字节
  *p = 'a';
  char c = *(p+1); //地址加1
  printf("\n [%c]\n",c);
  free(p);
  return 0;
}

1）编译程序t3.c

gcc -Wall t3.c -g -o t3

2）使用Valgrind检查程序BUG

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t3

3) 运行结果如下：

==3128== Memcheck, a memory error detector
==3128== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3128== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==3128== Command: ./t3
==3128==
==3128== Invalid read of size 1 #无效读取
==3128==at 0x400579: main (t3.c:9)
==3128==Address 0x4c27041 is 0 bytes after a block of size 1 alloc'd
==3128==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)
==3128==by 0x400565: main (t3.c:6)
==3128==
[]
==3128==
==3128== HEAP SUMMARY:
==3128==in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==3128==total heap usage: 1 allocs, 1 frees, 1 bytes allocated
==3128==
==3128== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==3128==
==3128== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==3128== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts
(suppressed: 6 from 6)

3.4内存泄露

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
  int *p = malloc(1);
  *p = 'x';
  char c = *p;
  printf("%c\n",c); //申请后未释放
  return 0;
}

1）编译程序t4.c

gcc -Wall t4.c -g -o t4

2）使用Valgrind检查程序BUG

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t4

3) 运行结果如下：

==3221== Memcheck, a memory error detector
==3221== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3221== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==3221== Command: ./t4
==3221==
==3221== Invalid write of size 4
==3221==at 0x40051E: main (t4.c:7)
==3221==Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size 1 alloc'd
==3221==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)
==3221==by 0x400515: main (t4.c:6)
==3221==
==3221== Invalid read of size 4
==3221==at 0x400528: main (t4.c:8)
==3221==Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size 1 alloc'd
==3221==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)
==3221==by 0x400515: main (t4.c:6)
==3221==
x
==3221==
==3221== HEAP SUMMARY:
==3221==in use at exit: 1 bytes in 1 blocks
==3221==total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 1 bytes allocated
==3221==
==3221== 1 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==3221==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)
==3221==by 0x400515: main (t4.c:6)
==3221==
==3221== LEAK SUMMARY:
==3221==definitely lost: 1 bytes in 1 blocks
==3221==indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==3221== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==3221==still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==3221== suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==3221==
==3221== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==3221== ERROR SUMMARY: 3 errors from 3 contexts
(suppressed: 6 from 6)

从检查结果看，可以发现内存泄露。

3.5内存多次释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
  char *p;
  p=(char *)malloc(100);
  if(p)
  printf("Memory Allocated at: %s/n",p);
  else
  printf("Not Enough Memory!/n");
  free(p); //重复释放
  free(p);
  free(p);
  return 0;
}

1）编译程序t5.c

gcc -Wall t5.c -g -o t5

2）使用Valgrind检查程序BUG

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t5

3) 运行结果如下：

==3294== Memcheck, a memory error detector
==3294== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPL'd, by Julian Seward
et al.
==3294== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for
copyright info
==3294== Command: ./t5
==3294==
==3294== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==3294== at 0x3CD4C47E2C: vfprintf (in /lib64/libc-2.12.so)
==3294== by 0x3CD4C4F189: printf (in /lib64/libc-2.12.so)
==3294== by 0x400589: main (t5.c:9)
==3294==
==3294== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()
==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3294== by 0x4005B5: main (t5.c:13)
==3294== Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size
100 free'd
==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3294== by 0x4005A9: main (t5.c:12)
==3294==
==3294== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()
==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3294== by 0x4005C1: main (t5.c:14)
==3294== Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size
100 free'd
==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3294== by 0x4005A9: main (t5.c:12)
==3294==
Memory Allocated at: /n==3294==
==3294== HEAP SUMMARY:
==3294== in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==3294== total heap usage: 1 allocs, 3 frees, 100 bytes allocated

从上面的输出可以看到(标注), 该功能检测到我们对同一个指针调用了3次释放内存操作。

3.6内存动态管理

常见的内存分配方式分三种：

  • 静态存储，
  • 栈上分配，
  • 堆上分配。
  • 全局变量属于静态存储，它们是在编译时就被分配了存储空间，
  • 函数内的局部变量属于栈上分配，
  • 而最灵活的内存使用方式当属堆上分配，也叫做内存动态分配了。常用的内存动态分配函数包括：malloc, alloc, realloc, new等，动态释放函数包括free, delete。
    一旦成功申请了动态内存，我们就需要自己对其进行内存管理，而这又是最容易犯错误的。下面的一段程序，就包括了内存动态管理中常见的错误。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
  int i;
  char* p = (char*)malloc(10);
  char* pt=p;
  for(i = 0;i < 10;i++)
  {
    p[i] = 'z';
  }
  free(p);
  pt[1] = 'x';
  free(pt);
  return 0;
}

1）编译程序t6.c

gcc -Wall t6.c -g -o t6

2）使用Valgrind检查程序BUG

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t6

3) 运行结果如下：

==3380== Memcheck, a memory error detector
==3380== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3380== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==3380== Command: ./t6
==3380==
==3380== Invalid write of size 1
==3380==at 0x40055C: main (t6.c:14)
==3380==Address 0x4c27041 is 1 bytes inside a block of size 10 free'd
==3380==at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3380==by 0x400553: main (t6.c:13)
==3380==
==3380== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()
==3380==at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3380==by 0x40056A: main (t6.c:15)
==3380==Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size 10 free'd
==3380==at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)
==3380==by 0x400553: main (t6.c:13)
==3380==
==3380==
==3380== HEAP SUMMARY:
==3380==in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==3380==total heap usage: 1 allocs, 2 frees, 10 bytes allocated

“Invalid write of size 1”：这表示你在你的程序中试图写入一个已经被释放（free）的内存块。具体来说，这是在t6.c的第14行发生的。你可能已经尝试写入一个已经释放的内存区域，这通常在你试图在释放后使用该内存时发生。你需要检查你的代码，确保在使用内存块之前已经正确地分配（alloc）了它。

“Invalid free() / delete / delete[] / realloc()”：这个错误表示你在试图释放一个未被分配（alloc）的内存块，或者你试图释放一个已经被释放的内存块。这个错误在t6.c的第15行和第13行中发生。对于动态内存管理（如C和C++中的malloc、calloc、free、delete、delete[]、realloc等函数），你需要确保你只在完全不再需要内存块时释放它，而且你必须确保你每次分配的内存块数量和大小都与你的释放操作相匹配。

申请内存在使用完成后就要释放。如果没有释放，或少释放了就是内存泄露；多释放也会产生问题。

上述程序中，指针p和pt指向的是同一块内存，却被先后释放两次。

系统会在堆上维护一个动态内存链表，如果被释放，就意味着该块内存可以继续被分配给其他部分，如果内存被释放后再访问，就可能覆盖其他部分的信息，这是一种严重的错误，上述程序第14行中就在释放后仍然写这块内存。

输出结果显示，第13行分配和释放函数不一致；第14行发生非法写操作，也就是往释放后的内存地址写值；第15行释放内存函数无效。

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