Valgrind之Memcheck

        Memcheck是Valgrind工具集中最常用的工具，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。Memcheck之所以能够检测出这些内存问题，关键在于其建立了两个全局表：
        （1）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。
        （2）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可写。
        检测原理如下：
        （1）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。
        （2）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，如果该值尚未被初始化，则会报告使用未初始化内存错误。

        需要注意的是，在编译程序的时候最好加入-g参数，便于Valgrind读入符号表之类的信息以提供更丰富的错误定位信息，不推荐加入-O等优化参数，因为优化后的代码易于让Valgrind解释错误。下面将针对Memcheck能够检测的七种问题进行详细介绍。
一、未初始化内存
         对于位于程序中不同段的变量，其初始值是不同的，全局变量和静态变量初始值为0，而局部变量和动态申请的变量，其初始值为随机值。如果程序使用了为随机值的变量，那么程序的行为就变得不可预期。下面程序将演示一种常见的使用了未初始化变量的场景，局部变量s初始化值为随机值，在条件语句中使用变量s来作if条件变量：
        
        编译程序，分析结果：
        
        输出结果显示，在该程序第6行中，if条件语句的跳转依赖于一个未初始化的变量s，准确地发现了该程序中存在的问题。

二、内存读写越界
         这种情况是指，访问了你不应该或者没有权限访问的内存地址空间，比如：访问数组越界、对动态内存访问时超出了申请的内存大小范围。下面程序将演示一种典型的数组越界问题，pt是一个局部数组变量，其大小为4，在用for循环初始化数组元素时，对数组进行了越界写操作，这将导致不可预期的后果：
        
        编译程序，分析结果：
        
        输出结果显示，在该程序的第8行，进行非法的写操作，在该程序的第9行，进行了非法读操作，准确地发现了内存读写越界问题。
    
三、内存覆盖        
        C标准库中提供了大量直接操作内存的函数，比如：memcpy、strcpy、strncpy、strcat等，这些函数有一个共同特点就是需要设置源地址src和目标地址dst，src和dst指向的地址不能发生重叠，否则结果将不可预期。下面程序将演示一种典型的内存重叠或覆盖的问题，src和dst所指向的地址相差20，但指定的拷贝长度却是21，这样就会把之前拷贝的值覆盖：
        
        编译程序，分析结果：
        
        输出结果显示，在该程序的第12行，源地址和目标地址数据拷贝出现重叠，准确地发现了内存覆盖问题。

四、申请和释放方式不匹配
        为了兼容C，在C++中有两套动态内存管理机制，分别是C方式的malloc/alloc/realloc/free，C++方式的new/delete，这两种方式不能混用，否则会有潜在问题存在。下面程序将演示一种典型的申请和释放不匹配的问题，用malloc申请的内存由delete释放，用new申请的内存由free释放：
        
        编译程序，分析结果：
        
        输出结果显示，在该程序的第6行由malloc分配内存，在第7行由delete释放，第8行由new分配内存，在第9行由free释放，准确发现了内存申请和释放不匹配的问题。

五、释放后仍然读写
         系统在堆上维护一个动态内存链表，如果动态申请的内存被释放，就意味着这块内存可以继续被分配给其它部分，如果内存被释放后再访问，就可能覆盖其它部分信息，这是一种严重的错误。下面程序将演示一种典型的释放后仍然使用的问题，用new申请的内存由delete释放后仍然修改其值：
        
        编译程序，分析结果：
        
        输出结果显示，在该程序的第7行delete了第6行由new分配的内存后第8行仍然写这块内存，准确发现了内存释放后仍然读写该块内存的问题。

六、内存泄露
        内存泄露，狭义上来说是指向一块内存的指针永远丢失，但是在此引申一下。申请了多少内存，在使用完成后就要释放多少，如果没有释放或者释放少了都属于内存泄露。当然多释放了也会产生问题。下面程序将演示这几种情况：
        
        编译程序，分析结果：
        
        输出结果显示，在该程序的第7行new出了10个元素的数组，第8行delete时需要用delete []，第9行new出的内存，第10行和第11行分别delete，这样就多少释放了一次，第6行new出的内存没有释放.
        在LEAK SUMMARY中：
        （1）definitely lost：没有任何指针指向该区域，已经造成了内存泄露。
        （2）indirectly lost：指向该内存的指针也位于内存泄露处。
        （3）possibly lost：仍然存在某个指针能够访问某块内存，但该指针指向的已经不是该内存首地址。
        （4）still reachable：仍有指针引用该内存块，只是没有释放而已，可以通过设置--show-reachable=yes来报错。