作者：sixth
用C/C++開發(fā)其中最令人頭疼的一個問題就是內(nèi)存管理，有時候為了查找一個內(nèi)存泄漏或者一個內(nèi)存訪問越界，需要要花上好幾天時間，如果有一款工具能夠幫助我們做這件事情就好了，valgrind正好就是這樣的一款工具。
Valgrind是一款基于模擬linux下的程序調(diào)試器和剖析器的軟件套件，可以運行于x86, amd64和ppc32架構(gòu)上。valgrind包含一個核心，它提供一個虛擬的CPU運行程序，還有一系列的工具，它們完成調(diào)試，剖析和一些類似的任務(wù)。valgrind是高度模塊化的，所以開發(fā)人員或者用戶可以給它添加新的工具而不會損壞己有的結(jié)構(gòu)。
valgrind的官方網(wǎng)址是：http://valgrind.org
你可以在它的網(wǎng)站上下載到最新的valgrind，它是開放源碼和免費的。
一、介紹
valgrind包含幾個標(biāo)準(zhǔn)的工具，它們是：
1、memcheck
memcheck探測程序中內(nèi)存管理存在的問題。它檢查所有對內(nèi)存的讀/寫操作，并截取所有的malloc/new/free/delete調(diào)用。因此memcheck工具能夠探測到以下問題：
1）使用未初始化的內(nèi)存
2）讀/寫已經(jīng)被釋放的內(nèi)存
3）讀/寫內(nèi)存越界
4）讀/寫不恰當(dāng)?shù)膬?nèi)存棧空間
5）內(nèi)存泄漏
6）使用malloc/new/new[]和free/delete/delete[]不匹配。
2、cachegrind
cachegrind是一個cache剖析器。它模擬執(zhí)行CPU中的L1, D1和L2 cache，因此它能很精確的指出代碼中的cache未命中。如果你需要，它可以打印出cache未命中的次數(shù)，內(nèi)存引用和發(fā)生cache未命中的每一行代碼，每一個函數(shù)，每一個模塊和整個程序的摘要。如果你要求更細(xì)致的信息，它可以打印出每一行機(jī)器碼的未命中次數(shù)。在x86和amd64上， cachegrind通過CPUID自動探測機(jī)器的cache配置，所以在多數(shù)情況下它不再需要更多的配置信息了。
3、helgrind
helgrind查找多線程程序中的競爭數(shù)據(jù)。helgrind查找內(nèi)存地址，那些被多于一條線程訪問的內(nèi)存地址，但是沒有使用一致的鎖就會被查出。這表示這些地址在多線程間訪問的時候沒有進(jìn)行同步，很可能會引起很難查找的時序問題。
二、valgrind對你的程序都做了些什么
valgrind被設(shè)計成非侵入式的，它直接工作于可執(zhí)行文件上，因此在檢查前不需要重新編譯、連接和修改你的程序。要檢查一個程序很簡單，只需要執(zhí)行下面的命令就可以了
valgrind --tool=tool_name program_name
比如我們要對ls -l命令做內(nèi)存檢查，只需要執(zhí)行下面的命令就可以了
valgrind --tool=memcheck ls -l
不管是使用哪個工具，valgrind在開始之前總會先取得對你的程序的控制權(quán)，從可執(zhí)行關(guān)聯(lián)庫里讀取調(diào)試信息。然后在valgrind核心提供的虛擬CPU上運行程序，valgrind會根據(jù)選擇的工具來處理代碼，該工具會向代碼中加入檢測代碼，并把這些代碼作為最終代碼返回給valgrind核心，最后valgrind核心運行這些代碼。
如果要檢查內(nèi)存泄漏，只需要增加--leak-check=yes就可以了，命令如下
valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes ls -l
不同工具間加入的代碼變化非常的大。在每個作用域的末尾，memcheck加入代碼檢查每一片內(nèi)存的訪問和進(jìn)行值計算，代碼大小至少增加12倍，運行速度要比平時慢25到50倍。
valgrind模擬程序中的每一條指令執(zhí)行，因此，檢查工具和剖析工具不僅僅是對你的應(yīng)用程序，還有對共享庫，GNU C庫，X的客戶端庫都起作用。
三、現(xiàn)在開始
首先，在編譯程序的時候打開調(diào)試模式（gcc編譯器的-g選項）。如果沒有調(diào)試信息，即使最好的valgrind工具也將中能夠猜測特定的代碼是屬于哪一個函數(shù)。打開調(diào)試選項進(jìn)行編譯后再用valgrind檢查，valgrind將會給你的個詳細(xì)的報告，比如哪一行代碼出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏。
當(dāng)檢查的是C++程序的時候，還應(yīng)該考慮另一個選項 -fno-inline。它使得函數(shù)調(diào)用鏈很清晰，這樣可以減少你在瀏覽大型C++程序時的混亂。比如在使用這個選項的時候，用memcheck檢查 openoffice就很容易。當(dāng)然，你可能不會做這項工作，但是使用這一選項使得valgrind生成更精確的錯誤報告和減少混亂。
一些編譯優(yōu)化選項(比如-O2或者更高的優(yōu)化選項)，可能會使得memcheck提交錯誤的未初始化報告，因此，為了使得valgrind的報告更精確，在編譯的時候最好不要使用優(yōu)化選項。
如果程序是通過腳本啟動的，可以修改腳本里啟動程序的代碼，或者使用--trace-children=yes選項來運行腳本。
下面是用memcheck檢查ls -l命令的輸出報告，在終端下執(zhí)行下面的命令
valgrind --tool=memcheck ls -l
程序會打印出ls -l命令的結(jié)果，最后是valgrind的檢查報告如下：
==4187==
==4187== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 19 from 2)
==4187== malloc/free: in use at exit: 15,154 bytes in 105 blocks.
==4187== malloc/free: 310 allocs, 205 frees, 60,093 bytes allocated.
==4187== For counts of detected errors, rerun with: -v
==4187== searching for pointers to 105 not-freed blocks.
==4187== checked 145,292 bytes.
==4187==
==4187== LEAK SUMMARY:
==4187== definitely lost: 0 bytes in 0 blocks.
==4187== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks.
==4187== still reachable: 15,154 bytes in 105 blocks.
==4187== suppressed: 0 bytes in 0 blocks.
==4187== Reachable blocks (those to which a pointer was found) are not shown.
==4187== To see them, rerun with: --show-reachable=yes
這里的“4187”指的是執(zhí)行l(wèi)s -l的進(jìn)程ID，這有利于區(qū)別不同進(jìn)程的報告。memcheck會給出報告，分配置和釋放了多少內(nèi)存，有多少內(nèi)存泄漏了，還有多少內(nèi)存的訪問是可達(dá)的，檢查了多少字節(jié)的內(nèi)存。
下面舉兩個用valgrind做內(nèi)存檢查的例子
例子一 (test.c)：
#include <string.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
char *ptr;
ptr = (char*) malloc(10);
strcpy(ptr, "01234567890");
return 0;
}
|
編譯程序
gcc -g -o test test.c
用valgrind執(zhí)行命令
valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes ./test
報告如下
==4270== Memcheck, a memory error detector.
==4270== Copyright (C) 2002-2006, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==4270== Using LibVEX rev 1606, a library for dynamic binary translation.
==4270== Copyright (C) 2004-2006, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.
==4270== Using valgrind-3.2.0, a dynamic binary instrumentation framework.
==4270== Copyright (C) 2000-2006, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==4270== For more details, rerun with: -v
==4270==
==4270== Invalid write of size 1
==4270== at 0x4006190: strcpy (mc_replace_strmem.c:271)
==4270== by 0x80483DB: main (test.c:8)
==4270== Address 0x4023032 is 0 bytes after a block of size 10 alloc'd
==4270== at 0x40044F6: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==4270== by 0x80483C5: main (test.c:7)
==4270==
==4270== Invalid write of size 1
==4270== at 0x400619C: strcpy (mc_replace_strmem.c:271)
==4270== by 0x80483DB: main (test.c:8)
==4270== Address 0x4023033 is 1 bytes after a block of size 10 alloc'd
==4270== at 0x40044F6: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==4270== by 0x80483C5: main (test.c:7)
==4270==
==4270== ERROR SUMMARY: 2 errors from 2 contexts (suppressed: 12 from 1)
==4270== malloc/free: in use at exit: 10 bytes in 1 blocks.
==4270== malloc/free: 1 allocs, 0 frees, 10 bytes allocated.
==4270== For counts of detected errors, rerun with: -v
==4270== searching for pointers to 1 not-freed blocks.
==4270== checked 51,496 bytes.
==4270==
==4270==
==4270== 10 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==4270== at 0x40044F6: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==4270== by 0x80483C5: main (test.c:7)
==4270==
==4270== LEAK SUMMARY:
==4270== definitely lost: 10 bytes in 1 blocks.
==4270== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks.
==4270== still reachable: 0 bytes in 0 blocks.
==4270== suppressed: 0 bytes in 0 blocks.
==4270== Reachable blocks (those to which a pointer was found) are not shown.
==4270== To see them, rerun with: --show-reachable=yes
從這份報告可以看出，進(jìn)程號是4270，test.c的第8行寫內(nèi)存越界了，引起寫內(nèi)存越界的是strcpy函數(shù)，
第7行泄漏了10個字節(jié)的內(nèi)存，引起內(nèi)存泄漏的是malloc函數(shù)。
例子二（test2.c)
#include <stdio.h>
int foo(int x)
{
if (x < 0) {
printf("%d ", x);
}
return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int x;
foo(x);
return 0;
}
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編譯程序
gcc -g -o test2 test2.c
用valgrind做內(nèi)存檢查
valgrind --tool=memcheck ./test2
輸出報告如下
==4285== Memcheck, a memory error detector.
==4285== Copyright (C) 2002-2006, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==4285== Using LibVEX rev 1606, a library for dynamic binary translation.
==4285== Copyright (C) 2004-2006, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.
==4285== Using valgrind-3.2.0, a dynamic binary instrumentation framework.
==4285== Copyright (C) 2000-2006, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==4285== For more details, rerun with: -v
==4285==
==4285== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==4285== at 0x8048372: foo (test2.c:5)
==4285== by 0x80483B4: main (test2.c:16)
==4285==p p
==4285== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 12 from 1)
==4285== malloc/free: in use at exit: 0 bytes in 0 blocks.
==4285== malloc/free: 0 allocs, 0 frees, 0 bytes allocated.
==4285== For counts of detected errors, rerun with: -v
==4285== All heap blocks were freed -- no leaks are possible.
從這份報告可以看出進(jìn)程PID是4285，test2.c文件的第16行調(diào)用了foo函數(shù)，在test2.c文件的第5行foo函數(shù)使用了一個未初始化的變量。
valgrind還有很多使用選項，具體可以查看valgrind的man手冊頁和valgrind官方網(wǎng)站的在線文檔。
Windows用戶不必沮喪，雖然在Windows上沒有Valgrind可用，但是你可以試一試IBM的Purify，它在功能上和Valgrind相似。