Linux下記憶體漏失檢測工具Valgrind

2020-06-16 17:43:46

1概述

1.1 介紹

Valgrind是一套Linux下，開放原始碼（GPL V2）的模擬偵錯工具的集合。Valgrind由核心（core）以及基於核心的其他偵錯工具組成。核心類似於一個框架（framework），它模擬了一個CPU環境，並提供服務給其他工具；而其他工具則類似於外掛 (plug-in)，利用核心提供的服務完成各種特定的記憶體偵錯任務。Valgrind的體系結構如下圖所示：

圖1

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，用來檢測程式中出現的記憶體問題，所有對記憶體的讀寫都會被檢測到，一切對malloc()/free()/new/delete的呼叫都會被捕獲。所以，它能檢測以下問題：

對未初始化記憶體的使用；

讀/寫釋放後的記憶體塊；

讀/寫超出malloc分配的記憶體塊；

讀/寫不適當的棧中記憶體塊；

記憶體漏失，指向一塊記憶體的指標永遠丟失；

不正確的malloc/free或new/delete匹配；

memcpy()相關函數中的dst和src指標重疊。

2.Callgrind

和gprof類似的分析工具，但它對程式的執行觀察更是入微，能給我們提供更多的資訊。和gprof不同，它不需要在編譯原始碼時附加特殊選項，但加上偵錯選項是推薦的。Callgrind收集程式執行時的一些資料，建立函數呼叫關係圖，還可以有選擇地進行cache模擬。在執行結束時，它會把分析資料寫入一個檔案。callgrind_annotate可以把這個檔案的內容轉化成可讀的形式。

3.Cachegrind

Cache分析器，它模擬CPU中的一級快取I1，Dl和二級快取，能夠精確地指出程式中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，記憶體參照次數，以及每行程式碼，每個函數，每個模組，整個程式產生的指令數。這對優化程式有很大的幫助。

4.Helgrind

它主要用來檢查多執行緒程式中出現的競爭問題。Helgrind尋找記憶體中被多個執行緒存取，而又沒有一貫加鎖的區域，這些區域往往是執行緒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”的競爭檢測演算法，並做了進一步改進，減少了報告錯誤的次數。不過，Helgrind仍然處於實驗階段。

5.Massif

堆疊分析器，它能測量程式在堆疊中使用了多少記憶體，告訴我們堆塊，堆管理塊和棧的大小。Massif能幫助我們減少記憶體的使用，在帶有虛擬記憶體的現代系統中，它還能夠加速我們程式的執行，減少程式停留在交換區中的幾率。

此外，lackey和nulgrind也會提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是為開發者展示如何建立一個工具。

1.3 原理

Memcheck 能夠檢測出記憶體問題，關鍵在於其建立了兩個全域性表。Valid-Value 表

對於進程的整個地址空間中的每一個位元組(byte)，都有與之對應的 8 個 bits；對於CPU的每個暫存器，也有一個與之對應的bit向量。這些bits負責記錄該位元組或者暫存器值是否具有有效的、已初始化的值。

Valid-Address 表

對於進程整個地址空間中的每一個位元組(byte)，還有與之對應的1個bit，負責記錄該地址是否能夠被讀寫。

檢測原理：

當要讀寫記憶體中某個位元組時，首先檢查這個位元組對應的 A bit。如果該A bit顯示該位置是無效位置，memcheck則報告讀寫錯誤。

核心（core）類似於一個虛擬的 CPU 環境，這樣當記憶體中的某個位元組被載入到真實的 CPU 中時，該位元組對應的 V bit 也被載入到虛擬的 CPU 環境中。一旦暫存器中的值，被用來產生記憶體地址，或者該值能夠影響程式輸出，則 memcheck 會檢查對應的V bits，如果該值尚未初始化，則會報告使用未初始化記憶體錯誤。

2 安裝使用

2.1安裝

從官網http://www.valgrind.org下載最新版本（當前3.11）

#tar xvf valgrind-3.11.1.tar.bz2
#cd valgrind-3.11.1
#./configure --prefix=/usr/local/valgrind--指定安裝目錄
#make
#make install

2.2 命令介紹

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

-tool=<name> 最常用的選項。執行 valgrind中名為toolname的工具。預設memcheck。
h –help 顯示幫助資訊。
-version 顯示valgrind核心的版本，每個工具都有各自的版本。
q –quiet 安靜地執行，只列印錯誤資訊。
v –verbose 更詳細的資訊, 增加錯誤數統計。
-trace-children=no|yes 跟蹤子執行緒? [no]
-track-fds=no|yes 跟蹤開啟的檔案描述？[no]
-time-stamp=no|yes 增加時間戳到LOG資訊? [no]
-log-fd=<number> 輸出LOG到描述符檔案 [2=stderr]
-log-file=<file> 將輸出的資訊寫入到filename.PID的檔案裡，PID是執行程式的進行ID
-log-file-exactly=<file> 輸出LOG資訊到 file
-log-file-qualifier=<VAR> 取得環境變數的值來做為輸出資訊的檔名。 [none]
-log-socket=ipaddr:port 輸出LOG到socket ，ipaddr:port

LOG資訊輸出:

-xml=yes 將資訊以xml格式輸出，只有memcheck可用
-num-callers=<number> show <number> callers in stack traces [12]
-error-limit=no|yes 如果太多錯誤，則停止顯示新錯誤? [yes]
-error-exitcode=<number> 如果發現錯誤則返回錯誤程式碼 [0=disable]
-db-attach=no|yes 當出現錯誤，valgrind會自動啟動偵錯程式gdb。[no]
-db-command=<command> 啟動偵錯程式的命令列選項[gdb -nw %f %p]

適用於Memcheck工具的相關選項：

-leak-check=no|summary|full 要求對leak給出詳細資訊? [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 應用實踐

下面通過介紹幾個範例來說明如何使用Memcheck （其他工具暫不涉及，感興趣可以交流），範例僅供參考，更多用途可在實際應用中不斷探索。

3.1陣列越界/記憶體未釋放

#include<stdlib.h>

void k(void)

{

int *x = malloc(8 * sizeof(int));

x[9] = 0; //陣列下標越界

} //記憶體未釋放

int main(void)

{

k();

return 0;

}

1）編譯程式test.c

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

2）使用Valgrind檢查程式BUG

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

#--leak-check=full 所有洩露檢查

3) 執行結果如下：

==2989== Memcheck, a memory error detector

et al.

==2989== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for

==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== 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記憶體釋放後讀寫

#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); //釋放

c = *p; //取值

return 0;

}

1）編譯程式t2.c

gcc -Wall t2.c -g -o t2

2）使用Valgrind檢查程式BUG

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

3) 執行結果如下：

==3058== Memcheck, a memory error detector

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== 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)

從上輸出內容可以看到，Valgrind檢測到無效的讀取操作然後輸出“Invalid read of size 1”。

3.3無效讀寫

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main(void)

{

char *p = malloc(1); //分配1位元組

*p = 'a';

char c = *(p+1); //地址加1

printf("n [%c]n",c);

free(p);

return 0;

}

1）編譯程式t3.c

gcc -Wall t3.c -g -o t3

2）使用Valgrind檢查程式BUG

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

3) 執行結果如下：

==3128== Memcheck, a memory error detector

==3128== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info

==3128== Command: ./t3

==3128==

==3128== Invalid read of size 1 #無效讀取

==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記憶體洩露

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main(void)

{

int *p = malloc(1);

*p = 'x';

char c = *p;

printf("%cn",c); //申請後未釋放

return 0;

}

1）編譯程式t4.c

gcc -Wall t4.c -g -o t4

2）使用Valgrind檢查程式BUG

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

3) 執行結果如下：

==3221== Memcheck, a memory error detector

==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==

==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)

從檢查結果看，可以發現記憶體洩露。

3.5記憶體多次釋放

#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); //重複釋放

free(p);

return 0;

}

1）編譯程式t5.c

gcc -Wall t5.c -g -o t5

2）使用Valgrind檢查程式BUG

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

3) 執行結果如下：

==3294== Memcheck, a memory error detector

et al.

==3294== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for

==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

從上面的輸出可以看到(標註), 該功能檢測到我們對同一個指標呼叫了3次釋放記憶體操作。

3.6記憶體動態管理

常見的記憶體分配方式分三種：靜態儲存，棧上分配，堆上分配。全域性變數屬於靜態儲存，它們是在編譯時就被分配了儲存空間，函數內的區域性變數屬於棧上分配，而最靈活的記憶體使用方式當屬堆上分配，也叫做記憶體動態分配了。常用的記憶體動態分配函數包括：malloc, alloc, realloc, new等，動態釋放函數包括free, delete。

一旦成功申請了動態記憶體，我們就需要自己對其進行記憶體管理，而這又是最容易犯錯誤的。下面的一段程式，就包括了記憶體動態管理中常見的錯誤。

#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）編譯程式t6.c

gcc -Wall t6.c -g -o t6

2）使用Valgrind檢查程式BUG

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

3) 執行結果如下：

==3380== Memcheck, a memory error detector

==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== HEAP SUMMARY:

==3380==in use at exit: 0 bytes in 0 blocks

==3380==total heap usage: 1 allocs, 2 frees, 10 bytes allocated

申請記憶體在使用完成後就要釋放。如果沒有釋放，或少釋放了就是記憶體洩露；多釋放也會產生問題。上述程式中，指標p和pt指向的是同一塊記憶體，卻被先後釋放兩次。系統會在堆上維護一個動態記憶體連結串列，如果被釋放，就意味著該塊記憶體可以繼續被分配給其他部分，如果記憶體被釋放後再存取，就可能覆蓋其他部分的資訊，這是一種嚴重的錯誤，上述程式第14行中就在釋放後仍然寫這塊記憶體。

輸出結果顯示，第13行分配和釋放函數不一致；第14行發生非法寫操作，也就是往釋放後的記憶體地址寫值；第15行釋放記憶體函數無效。

Valgrind *不是* 洩漏檢查工具 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-12/110481.htm

Linux下Valgrind的使用概述 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-08/67990.htm

Linux下利用Valgrind工具進行記憶體洩露檢測和效能分析 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-06/63754.htm

Ubuntu 記憶體漏失檢測工具Valgrind的安裝 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-12/49988.htm

Valgrind--Linux下的記憶體偵錯和程式碼解剖工具 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-06/36907.htm

應用 Valgrind 發現 Linux 程式的記憶體問題[圖文] http://www.linuxidc.com/Linux/2008-11/17502.htm

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