Valgrind介绍

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驾广安
5 years ago
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1 内存调试工具 --Valgrind jeremychen

2 valgrind 的体系结构 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

3 valgrind 体系结构

4 valgrind 工具集 Memcheck: 这是 valgrind 应用最广泛的工具, 一个重量级的内存检查器, 能够发现开发中绝大多数内存错误使用情况 Callgrind: 它主要用来检查程序中函数调用过程中出现的问题 Cachegrind: 它主要用来检查程序中缓存使用出现的问题 Helgrind: 它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题 Massif: 它主要用来检查程序中堆栈使用中出现的问题 Extension: 可以利用 core 提供的功能, 自己编写特定的内存调试工具

5 Linux 程序的内存布局

6 Linux 程序的内存布局代码段 (.text): 存放的是 CPU 要执行的指令代码段是可共享的, 相同的代码在内存中只会有一个拷贝, 同时这个段是只读的, 防止程序由于错误而修改自身的指令初始化数据段 (.data): 存放的是程序中需要明确赋初始值的变量, 例如位于所有函数之外的全局变量 :int val=100 需要强调的是, 以上两段都是位于程序的可执行文件中, 内核在调用 exec 函数启动该程序时从源程序文件中读入未初始化数据段 (.bss): 位于这一段中的数据, 内核在执行该程序前, 将其初始化为 0 或者 null 例如出现在任何函数之外的全局变量 :int sum; 堆 (Heap): 这个段用于在程序中进行动态内存申请, 例如经常用到的 malloc,new 系列函数就是从这个段中申请内存栈 (Stack): 函数中的局部变量以及在函数调用过程中产生的临时变量都保存在此段中

7 内存检查原理

8 内存检查原理 Memcheck 能够检测出内存问题, 关键在于其建立了两个全局表 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 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能够被读写

9 检测原理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, 如果该值尚未初始化, 则会报告使用未初始化内存错误

10 valgrind 使用简介为了使 valgrind 发现的错误更精确, 如能够定位到源代码行, 建议在编译时加上 -g 参数, 编译优化选项请选择 O0, 虽然这会降低程序的执行效率 gcc g O0 sample.c o sample 利用 valgrind 调试内存问题, 不需要重新编译源程序, 它的输入就是二进制的可执行程序调用 Valgrind 的通用格式是 valgrind [valgrind-options] your-prog [your-progoptions]

11 valgrind 使用简介

12 valgrind 使用简介

13 valgrind 使用简介左边显示类似行号的数字 (32372) 表示的是 Process ID 最上面的红色方框表示的是 valgrind 的版本信息中间的红色方框表示 valgrind 通过运行被测试程序, 发现的内存问题通过阅读这些信息, 可以发现 : 这是一个对内存的非法写操作, 非法写操作的内存是 4 bytes 发生错误时的函数堆栈, 以及具体的源代码行号非法写操作的具体地址空间最下面的红色方框是对发现的内存问题和内存泄露问题的总结内存泄露的大小 (40 bytes) 也能够被检测出来示例程序显然有两个问题, 一是 fun 函数中动态申请的堆内存没有释放 ; 二是对堆内存的访问越界这两个问题均被 valgrind 发现

14 利用 Memcheck 检测内存问题使用未初始化的内存数组 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

15 利用 Memcheck 检测内存问题输出结果显示, 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

16 利用 Memcheck 检测内存问题内存读写越界 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

17 利用 Memcheck 检测内存问题输出结果显示, 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

18 利用 Memcheck 检测内存问题内存覆盖下面就是一个 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

19 利用 Memcheck 检测内存问题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

20 利用 Memcheck 检测内存问题动态内存管理错误

21 利用 Memcheck 检测内存问题输出结果显示, 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

22 利用 Memcheck 检测内存问题内存泄露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

23 利用 Memcheck 检测内存问题

24 利用 Memcheck 检测内存问题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在上述的例子中, 根节点是 directly lost, 而其他节点是 indirectly lost

25 绑定调试器 Valgrind db-attach=yes tool=memcheck./test

26 Valgrind 不能检查的错误 Valgrind 不对静态数组 ( 分配在栈上 ) 进行边界检查输出结果 :

27 其他工具功能 Helgrind 主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题 Helgrind 寻找内存中被多个线程访问, 而又没有一贯加锁的区域, 这些区域往往是线程之间失去同步的地方, 而且会导致难以发掘的错误 Helgrind 实现了名为 Eraser 的竞争检测算法, 并做了进一步改进, 减少了报告错误的次数不过,Helgrind 仍然处于实验阶段

28 其他工具功能 Callgrind 和 gprof 类似的分析工具, 但它对程序的运行观察更是入微, 能给我们提供更多的信息和 gprof 不同, 它不需要在编译源代码时附加特殊选项, 但加上调试选项是推荐的 Callgrind 收集程序运行时的一些数据, 建立函数调用关系图, 还可以有选择地进行 cache 模拟在运行结束时, 它会把分析数据写入一个文件 callgrind_annotate 可以把这个文件的内容转化成可读的形式

29 其他工具功能

30 其他工具功能

32 其他工具功能 Cachegrind Cache 分析器, 它模拟 CPU 中的一级缓存 I1,Dl 和二级缓存, 能够精确地指出程序中 cache 的丢失和命中如果需要, 它还能够为我们提供 cache 丢失次数, 内存引用次数, 以及每行代码, 每个函数, 每个模块, 整个程序产生的指令数这对优化程序有很大的帮助

33 其他工具功能 Massif 堆栈分析器, 它能测量程序在堆栈中使用了多少内存, 告诉我们堆块, 堆管理块和栈的大小 Massif 能帮助我们减少内存的使用, 在带有虚拟内存的现代系统中, 它还能够加速我们程序的运行, 减少程序停留在交换区中的几率

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