分类: LINUX
2015-12-10 17:23:56
Valgrind 概述
体系结构
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:
Valgrind包括如下一些工具:
Linux 程序内存空间布局
要发现Linux下的内存问题,首先一定要知道在Linux下,内存是如何被分配的?下图展示了一个典型的Linux C程序内存空间布局:
一个典型的Linux C程序内存空间由如下几部分组成:
内存检查原理
Memcheck检测内存问题的原理如下图所示:
Memcheck 能够检测出内存问题,关键在于其建立了两个全局表。
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。
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:
用法: valgrind [options] prog-and-args [options]: 常用选项,适用于所有Valgrind工具
LOG信息输出
适用于Memcheck工具的相关选项:
下面是一段有问题的C程序代码test.c
#i nclude
void f(void)
{
int* x = malloc(10 * sizeof(int));
x[10] = 0; //问题1: 数组下标越界
} //问题2: 内存没有释放
int main(void)
{
f();
return 0;
}
1、 编译程序test.c
gcc -Wall test.c -g -o test
2、 使用Valgrind检查程序BUG valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./test
3、 分析输出的调试信息
==3908== Memcheck, a memory error detector.
==3908== Copyright (C) 2002-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3908== Using LibVEX rev 1732, a library for dynamic binary translation.
==3908== Copyright (C) 2004-2007, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.
==3908== Using valgrind-3.2.3, a dynamic binary instrumentation framework.
==3908== Copyright (C) 2000-2007, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3908== For more details, rerun with: -v
==3908==
--3908-- DWARF2 CFI reader: unhandled CFI instruction 0:50
--3908-- DWARF2 CFI reader: unhandled CFI instruction 0:50
/*数组越界错误*/
==3908== Invalid write of size 4
==3908== at 0x8048384: f (test.c:6)
==3908== by 0x80483AC: main (test.c:11)
==3908== Address 0x400C050 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd
==3908== at 0x40046F2: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==3908== by 0x8048377: f (test.c:5)
==3908== by 0x80483AC: main (test.c:11)
==3908==
==3908== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 14 from 1)
==3908== malloc/free: in use at exit: 40 bytes in 1 blocks.
==3908== malloc/free: 1 allocs, 0 frees, 40 bytes allocated.
==3908== For counts of detected errors, rerun with: -v
==3908== searching for pointers to 1 not-freed blocks.
==3908== checked 59,124 bytes.
==3908==
==3908==
/*有内存空间没有释放*/
==3908== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==3908== at 0x40046F2: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==3908== by 0x8048377: f (test.c:5)
==3908== by 0x80483AC: main (test.c:11)
==3908==
==3908== LEAK SUMMARY:
==3908== definitely lost: 40 bytes in 1 blocks.
==3908== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks.
==3908== still reachable: 0 bytes in 0 blocks.
==3908== suppressed: 0 bytes in 0 blocks.
Valgrind 使用举例(二)
没有内存泄漏 编译C++ -“Hello kiccleaf!”
#include
int main()
{
cout << "Hello kiccleaf!\n" << endl;
return 0;
}
用g++编译C++程序
g++ Hello.cpp -o hello
[root@xuanAS4 LNMP]# valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./hello
==8926== Memcheck, a memory error detector.
==8926== Copyright (C) 2002-2008, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==8926== Using LibVEX rev 1884, a library for dynamic binary translation.
==8926== Copyright (C) 2004-2008, and GNU GPL'd, by OpenWorks LLP.
==8926== Using valgrind-3.4.1, a dynamic binary instrumentation framework.
==8926== Copyright (C) 2000-2008, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==8926== For more details, rerun with: -v
==8926==
Hello kiccleaf!
==8926==
==8926== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 15 from 1)
==8926== malloc/free: in use at exit: 0 bytes in 0 blocks.
==8926== malloc/free: 0 allocs, 0 frees, 0 bytes allocated.
==8926== For counts of detected errors, rerun with: -v
==8926== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
利用Memcheck发现常见的内存问题
在Linux平台开发应用程序时,最常遇见的问题就是错误的使用内存,我们总结了常见了内存错误使用情况,并说明了如何用valgrind将其检测出来。
使用未初始化的内存
问题分析:
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。
下面的程序就是一种常见的,使用了未初始化的变量的情况。数组a是局部变量,其初始值为随机值,而在初始化时并没有给其所有数组成员初始化,如此在接下来使用这个数组时就潜在有内存问题。
结果分析:
假设这个文件名为:badloop.c,生成的可执行程序为badloop。用memcheck对其进行测试,输出如下。
输出结果显示,在该程序第11行中,程序的跳转依赖于一个未初始化的变量。准确的发现了上述程序中存在的问题。
内存读写越界
问题分析:
这种情况是指:访问了你不应该/没有权限访问的内存地址空间,比如访问数组时越界;对动态内存访问时超出了申请的内存大小范围。下面的程序就是一个典型的数组越界问题。pt是一个局部数组变量,其大小为4,p初始指向pt数组的起始地址,但在对p循环叠加后,p超出了pt数组的范围,如果此时再对p进行写操作,那么后果将不可预期。
结果分析:
假设这个文件名为badacc.cpp,生成的可执行程序为badacc,用memcheck对其进行测试,输出如下。
输出结果显示,在该程序的第15行,进行了非法的写操作;在第16行,进行了非法读操作。准确地发现了上述问题。
内存覆盖
问题分析:
C 语言的强大和可怕之处在于其可以直接操作内存,C 标准库中提供了大量这样的函数,比如 strcpy, strncpy, memcpy, strcat 等,这些函数有一个共同的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。
下面就是一个 src 和 dst 发生重叠的例子。在 15 与 17 行中,src 和 dst 所指向的地址相差 20,但指定的拷贝长度却是 21,这样就会把之前的拷贝值覆盖。第 24 行程序类似,src(x+20) 与 dst(x) 所指向的地址相差 20,但 dst 的长度却为 21,这样也会发生内存覆盖。
结果分析:
假设这个文件名为 badlap.cpp,生成的可执行程序为 badlap,用 memcheck 对其进行测试,输出如下。
输出结果显示上述程序中第15,17,24行,源地址和目标地址设置出现重叠。准确的发现了上述问题。
动态内存管理错误
问题分析:
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。
常见的内存动态管理错误包括:
由于 C++ 兼容 C,而 C 与 C++ 的内存申请和释放函数是不同的,因此在 C++ 程序中,就有两套动态内存管理函数。一条不变的规则就是采用 C 方式申请的内存就用 C 方式释放;用 C++ 方式申请的内存,用 C++ 方式释放。也就是用 malloc/alloc/realloc 方式申请的内存,用 free 释放;用 new 方式申请的内存用 delete 释放。在上述程序中,用 malloc 方式申请了内存却用 delete 来释放,虽然这在很多情况下不会有问题,但这绝对是潜在的问题。
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,或者少释放了就是内存泄露;多释放了也会产生问题。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。
本质上说,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16行中就在释放后仍然写这块内存。
结果分析:
假设这个文件名为badmac.cpp,生成的可执行程序为badmac,用memcheck对其进行测试,输出如下。
输出结果显示,第14行分配和释放函数不一致;第16行发生非法写操作,也就是往释放后的内存地址写值;第17行释放内存函数无效。准确地发现了上述三个问题。
内存泄露
问题描述:
内存泄露(Memory leak)指的是,在程序中动态申请的内存,在使用完后既没有释放,又无法被程序的其他部分访问。内存泄露是在开发大型程序中最令人头疼的问题,以至于有人说,内存泄露是无法避免的。其实不然,防止内存泄露要从良好的编程习惯做起,另外重要的一点就是要加强单元测试(Unit Test),而memcheck就是这样一款优秀的工具。
下面是一个比较典型的内存泄露案例。main函数调用了mk函数生成树结点,可是在调用完成之后,却没有相应的函数:nodefr释放内存,这样内存中的这个树结构就无法被其他部分访问,造成了内存泄露。
在一个单独的函数中,每个人的内存泄露意识都是比较强的。但很多情况下,我们都会对malloc/free 或new/delete做一些包装,以符合我们特定的需要,无法做到在一个函数中既使用又释放。这个例子也说明了内存泄露最容易发生的地方:即两个部分的接口部分,一个函数申请内存,一个函数释放内存。并且这些函数由不同的人开发、使用,这样造成内存泄露的可能性就比较大了。这需要养成良好的单元测试习惯,将内存泄露消灭在初始阶段。
结果分析:
假设上述文件名位tree.h, tree.cpp, badleak.cpp,生成的可执行程序为badleak,用memcheck对其进行测试,输出如下。
该示例程序是生成一棵树的过程,每个树节点的大小为12(考虑内存对齐),共8个节点。从上述输出可以看出,所有的内存泄露都被发现。Memcheck将内存泄露分为两种,一种是可能的内存泄露(Possibly lost),另外一种是确定的内存泄露(Definitely lost)。Possibly lost 是指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。Definitely lost 是指已经不能够访问这块内存。而Definitely lost又分为两种:直接的(direct)和间接的(indirect)。直接和间接的区别就是,直接是没有任何指针指向该内存,间接是指指向该内存的指针都位于内存泄露处。在上述的例子中,根节点是directly lost,而其他节点是indirectly lost。