|
級別： 初級
蔡 林, IBM 中國軟件開發(fā)中心軟件工程師
2006 年 2 月 23 日
本文介紹了 IBM Rational Purify的基本概念和在不同操作系統(tǒng)中使用Purify對C/C++源程序中存在的內(nèi)存問題進行勘察和分析，并且提供了有關(guān)的實例以便讀者在實際操作中作為參考。
簡介
本文介紹了IBM Rational Purify的基本概念和在不同操作系統(tǒng)中使用Purify對C/C++源程序中存在的內(nèi)存問題進行勘察和分析，并且提供了有關(guān)的實例以便讀者在實際操作中作為參考。
1．內(nèi)存問題的原因及分類
在C/C++程序中，有關(guān)內(nèi)存使用的問題是最難發(fā)現(xiàn)和解決的。這些問題可能導致程序莫名其妙地停止、崩潰，或者不斷消耗內(nèi)存直至資源耗盡。由于C/C++語言本身的特質(zhì)和歷史原因，程序員使用內(nèi)存需要注意的事項較多，而且語言本身也不提供類似Java的垃圾清理機制。編程人員使用一定的工具來查找和調(diào)試內(nèi)存相關(guān)問題是十分必要的。
總的說來，與內(nèi)存有關(guān)的問題可以分成兩類：內(nèi)存訪問錯誤和內(nèi)存使用錯誤。內(nèi)存訪問錯誤包括錯誤地讀取內(nèi)存和錯誤地寫內(nèi)存。錯誤地讀取內(nèi)存可能讓你的模塊返回意想不到的結(jié)果，從而導致后續(xù)的模塊運行異常。錯誤地寫內(nèi)存可能導致系統(tǒng)崩潰。內(nèi)存使用方面的錯誤主要是指申請的內(nèi)存沒有正確釋放，從而使程序運行逐漸減慢，直至停止。這方面的錯誤由于表現(xiàn)比較慢很難被人工察覺。程序也許運行了很久才會耗凈資源，發(fā)生問題。
1.1 內(nèi)存解剖
一個典型的C++內(nèi)存布局如下圖所示：
自底向上，內(nèi)存中依次存放著只讀的程序代碼和數(shù)據(jù)，全局變量和靜態(tài)變量，堆中的動態(tài)申請變量和堆棧中的自動變量。自動變量就是在函數(shù)內(nèi)聲明的局部變量。當函數(shù)被調(diào)用時，它們被壓入棧；當函數(shù)返回時，它們就要被彈出堆棧。堆棧的使用基本上由系統(tǒng)控制，用戶一般不會直接對其進行控制，所以堆棧的使用還是相對安全的。動態(tài)內(nèi)存是一柄雙刃劍：它可以提供程序員更靈活的內(nèi)存使用方法，而且有些算法沒有動態(tài)內(nèi)存會很難實現(xiàn)；但是動態(tài)內(nèi)存往往是內(nèi)存問題存在的沃土。
1.2 內(nèi)存訪問錯誤
相對用戶使用的語言，動態(tài)內(nèi)存的申請一般由malloc/new來完成，釋放由free/delete完成。基本的原則可以總結(jié)為：一對一，不混用。也就是說一個malloc必須對應(yīng)一且唯一的free；new對應(yīng)一且唯一的delete; malloc不能和delete, new不能和free對應(yīng)。另外在C++中要注意delete和delete[]的區(qū)別。delete用來釋放單元變量，delete[]用來釋放數(shù)組等集聚變量。有關(guān)這方面的詳細信息可以參考[C++Adv]。
我們可以將內(nèi)存訪問錯誤大致分成以下幾類：數(shù)組越界讀或?qū)憽⒃L問未初始化內(nèi)存、訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存和重復釋放內(nèi)存或釋放非法內(nèi)存。
下面的代碼集中顯示了上述問題的典型例子：
1 #include <iostream>
2 using namespace std;
3 int main(){
4 char* str1="four";
5 char* str2=new char[4]; //not enough space
6 char* str3=str2;
7 cout<<str2<<endl; //UMR
8 strcpy(str2,str1); //ABW
9 cout<<str2<<endl; //ABR
10 delete str2;
11 str2[0]+=2; //FMR and FMW
12 delete str3; //FFM
13 }
|
由以上的程序，我們可以看到：在第5行分配內(nèi)存時，忽略了字符串終止符"\0"所占空間導致了第8行的數(shù)組越界寫（Array Bounds Write）和第9行的數(shù)組越界讀（Array Bounds Read）; 在第7行，打印尚未賦值的str2將產(chǎn)生訪問未初始化內(nèi)存錯誤（Uninitialized Memory Read）;在第11行使用已經(jīng)釋放的變量將導致釋放內(nèi)存讀和寫錯誤(Freed Memory Read and Freed Memory Write)；最后由于str3和str2所指的是同一片內(nèi)存，第12行又一次釋放了已經(jīng)被釋放的空間 (Free Freed Memory)。
這個包含許多錯誤的程序可以編譯連接，而且可以在很多平臺上運行。但是這些錯誤就像定時炸彈，會在特殊配置下觸發(fā)，造成不可預見的錯誤。這就是內(nèi)存錯誤難以發(fā)現(xiàn)的一個主要原因。
1.3 內(nèi)存使用錯誤
內(nèi)存使用錯誤主要是指內(nèi)存泄漏，也就是指申請的動態(tài)內(nèi)存沒有被正確地釋放，或者是沒有指針可以訪問這些內(nèi)存。這些小的被人遺忘的內(nèi)存塊占據(jù)了一定的地址空間。當系統(tǒng)壓力增大時，這些越來越多的小塊將最終導致系統(tǒng)內(nèi)存耗盡。內(nèi)存使用錯誤比內(nèi)存訪問錯誤更加難以發(fā)現(xiàn)。這主要有兩點原因：第一，內(nèi)存使用錯誤是"慢性病"，它的癥狀可能不會在少數(shù)、短時間的運行中體現(xiàn)；第二，內(nèi)存使用錯誤是因為"不做為"（忘記釋放內(nèi)存）而不是"做錯"造成的。這樣由于忽略造成的錯誤在檢查局部代碼時很難發(fā)現(xiàn)，尤其是當系統(tǒng)相當復雜的時候。
2．Purify的原理及使用
IBM Rational PurifyPlus是一組程序運行時的分析軟件。她包括了程序性能瓶頸分析軟件Quantify， 程序覆蓋面分析軟件PureCoverage，和本文的主角：程序運行錯誤分析軟件Purify。Purify可以發(fā)現(xiàn)程序運行時的內(nèi)存訪問，內(nèi)存泄漏和其他難以發(fā)現(xiàn)的問題。
同時她也是市場上唯一支持多種平臺的類似工具，并且可以和很多主流開發(fā)工具集成。Purify可以檢查應(yīng)用的每一個模塊，甚至可以查出復雜的多線程或進程應(yīng)用中的錯誤。另外她不僅可以檢查C/C++，還可以對Java或.NET中的內(nèi)存泄漏問題給出報告。
2.1 Purify的原理
程序運行時的分析可以采用多種方法。Purify使用了具有專利的目標代碼插入技術(shù)（OCI：Object Code Insertion）。她在程序的目標代碼中插入了特殊的指令用來檢查內(nèi)存的狀態(tài)和使用情況。這樣做的好處是不需要修改源代碼，只需要重新編譯就可以對程序進行分析。
對于所有程序中使用的動態(tài)內(nèi)存，Purify將它們按照狀態(tài)進行歸類。這可以由下圖來說明（來自[DEV205]）：
參見本文中以上給出的代碼，在程序第5行執(zhí)行后，str2處于黃色狀態(tài)。當在第7行進行讀的時候，系統(tǒng)就會報告一個訪問未初始化內(nèi)存錯誤（Uninitialized Memory Read）。因為只有在綠色狀態(tài)下，內(nèi)存才可以被合法訪問。
為了檢查數(shù)據(jù)越界錯誤（ABR，ABW），Purify還在每個分配的內(nèi)存前后插入了紅色區(qū)域。這樣一來，超過邊界的訪問指令必定落在非法區(qū)域，從而觸發(fā)ABR或者ABW錯誤報告。這里需要指出一點。訪問未初始化內(nèi)存錯誤UMR在某些情況下其實是合法的操作，例如內(nèi)存拷貝。所以在分析報告時可以把UMR放到最后，或者干脆從結(jié)果中濾除。
2.2 Purify的使用
這里簡單介紹一下Purify在Windows和UNIX環(huán)境下的使用。
在Windows中，只要運行Purify，填入需要分析的程序及參數(shù)就可。Purify會自動插入檢測代碼并顯示報告。報告的格式如下（來自[DEV205]）：
藍色的圖標代表一些運行的信息，比如開始和結(jié)束等。黃色是Purify給出的警告。通常UMR會作為警告列出。紅色則代表嚴重的錯誤。每一種相同的錯誤，尤其是在循環(huán)中的，會被集中在一起顯示，并且標明發(fā)生的次數(shù)。由每個錯誤的詳細信息，用戶可以知道相應(yīng)的內(nèi)存地址和源代碼的位置，并直接修改。另外用戶還可以設(shè)置不同的濾過器，用來隱藏暫時不關(guān)心的消息。
在UNIX系統(tǒng)中，使用Purify需要重新編譯程序。通常的做法是修改Makefile中的編譯器變量。下面是用來編譯本文中程序的Makefile：
CC=purify gcc
all: pplusdemo
pplusdemo: pplusdemo.o
$(CC) -o pplusdemo pplusdemo.o -lstdc++
pplusdemo.o: pplusdemo.cpp
$(CC) -g -c -w pplusdemo.cpp
clean:
-rm pplusdemo pplusdemo.o
|
首先運行Purify安裝目錄下的purifyplus_setup.sh來設(shè)置環(huán)境變量，然后運行make重新編譯程序。需要指出的是，程序必須編譯成調(diào)試版本。在gcc中，也就是必須使用"-g"選項。在重新編譯的程序運行結(jié)束后，Purify會打印出一個分析報告。它的格式和含義與Windows平臺大同小異。
下面是本文中的程序在Linux上Purify運行的結(jié)果：
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
UMR: Uninitialized memory read:
* This is occurring while in:
strlen [rtlib.o]
std::basic_ostream< char,std::char_traits< char>> & std::operator
<<<std::char_traits< char>>(std::basic_ostream< char,std::char_traits<
char>> &, char const *) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:7]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Reading 1 byte from 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
ABW: Array bounds write:
* This is occurring while in:
strcpy [rtlib.o]
main [pplusdemo.cpp:8]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Writing 5 bytes to 0x80b45e0 in the heap (1 byte at 0x80b45e4 illegal).
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
ABR: Array bounds read:
* This is occurring while in:
strlen [rtlib.o]
std::basic_ostream< char,std::char_traits< char>> & std::operator
<<<std::char_traits< char>>(std::basic_ostream< char,std::char_traits<
char>> &, char const *) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:9]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Reading 5 bytes from 0x80b45e0 in the heap (1 byte at 0x80b45e4 illegal).
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FMM: Freeing mismatched memory:
* This is occurring while in:
operator delete( void *) [rtlib.o]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Attempting to free block at 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* This block of memory was obtained using an allocation routine which is
not compatible with the routine by which it is being freed.
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FMR: Free memory read:
* This is occurring while in:
main [pplusdemo.cpp:11]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Reading 1 byte from 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a freed block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* There have been 0 frees since this block was freed from:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FMW: Free memory write:
* This is occurring while in:
main [pplusdemo.cpp:11]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Writing 1 byte to 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a freed block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* There have been 0 frees since this block was freed from:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FUM: Freeing unallocated memory:
* This is occurring while in:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:12]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Attempting to free block at 0x80b45e0 already freed.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* There have been 1 frees since this block was freed from:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
Current file descriptors in use: 5
FIU: file descriptor 0: <stdin>
FIU: file descriptor 1: <stdout>
FIU: file descriptor 2: <stderr>
FIU: file descriptor 26: <reserved for Purify internal use>
FIU: file descriptor 27: <reserved for Purify internal use>
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
Purify: Searching for all memory leaks...
Memory leaked: 0 bytes (0%); potentially leaked: 0 bytes (0%)
Purify Heap Analysis (combining suppressed and unsuppressed blocks)
Blocks Bytes
Leaked 0 0
Potentially Leaked 0 0
In-Use 0 0
----------------------------------------
Total Allocated 0 0
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
* Program exited with status code 0.
* 7 access errors, 7 total occurrences.
* 0 bytes leaked.
* 0 bytes potentially leaked.
* Basic memory usage (including Purify overhead):
290012 code
152928 data/bss
6816 heap (peak use)
7800 stack
|
我們對照程序可以發(fā)現(xiàn)Purify查出了程序中所有的錯誤。對于每個錯誤，她不但給出了源代碼的位置還指出這些內(nèi)存最初分配的源代碼位置。這對于查找問題提供了很大幫助。對于程序12行的解釋，Purify將其認為是不匹配的內(nèi)存釋放（FMM: Freeing mismatched memory），因為她認為這樣的釋放方式不符合嚴格的規(guī)定。
Purify在其報告和文檔中使用了很多的縮寫，在此一并列出，以便讀者在使用時參考（來自[Purify]）：
2.3 Purify的一些特性
這里簡單介紹一下Purify提供的幾個特性。有關(guān)這些特性的詳細信息，請查閱文檔[Purify]。
- 觀察點（Watchpoint）：通過在程序或者調(diào)試器中調(diào)用Purify 提供的觀察點函數(shù)，Purify可以報告有關(guān)被觀察對象的讀寫或其他操作。
- 與Rational其他產(chǎn)品的集成：在Puify的用戶界面中可以方便地進入ClearCase和ClearQuest。Purify還可以和PureCoverage同時使用，對程序進行分析。
- Purify的定制：無論是Purify報告中的消息，還是界面中的元素，都可以進行一定程度的定制。另外通過修改配置文件和調(diào)用Purify API，用戶還可以自動記錄運行日志，發(fā)送電子郵件等。
- Purify提供的API：為了更好地把Purify融合到自動化測試的體系中，Purify提供了一系列的公開函數(shù)。用戶完全可以通過腳本的方式自動運行，記錄，和分析Purify。
3．總結(jié)
當使用C/C++進行開發(fā)時，采用良好的一致的編程規(guī)范是防止內(nèi)存問題第一道也是最重要的措施。在此前提下，IBM Rational Purify作為一種運行時分析軟件可以很好地幫助您發(fā)現(xiàn)忽略的內(nèi)存問題，或成為軟件自動測試中的一個重要組成部分。
4．參考資料
[C++Adv]
[DEV205] Essentials of Rational PurifyPlus
[Purify] IBM Rational PurifyPlus for Linux and UNIX Documentation
關(guān)于作者
 |
|
|
|
蔡林，IBM 中國軟件開發(fā)中心軟件工程師，2004年獲得美國Baylor University計算機系碩士學位，同年加入IBM 中國軟件開發(fā)中心，從事Rational ClearQuest G11N的開發(fā)工作。
|
|