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1、Valgrind概述

Valgrind是一套Linux下，開放源代碼（GPL V2）的仿真調(diào)試工具的集合。

Valgrind由內(nèi)核（core）以及基于內(nèi)核的其他調(diào)試工具組成。內(nèi)核類似于一個框架（framework），它模擬了一個CPU環(huán)境，并提供服務給其他工具；而其他工具則類似于插件 (plug-in)，利用內(nèi)核提供的服務完成各種特定的內(nèi)存調(diào)試任務。

2、工具下載安裝

參考地址：https://www.valgrind.org/downloads/

安裝：

tar–xfvalgrind-3.17.0.tar.bz2
cdvalgrind-3.17.0
./configure//運行配置腳本生成makefile文件，可以--help查看配置項，自行按需配置，比如修改編譯工具、修改安裝路徑等
make
makeinstall//安裝生成可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件的路徑有參數(shù)--prefix指定，需要在PATH中添加環(huán)境變量；若不加參數(shù)--prefix指定，僅使用默認配置，則會自動關聯(lián)

安裝完后可以使用：

valgrind --help查看使用方法

3、使用基本選項

3.1 基本工具介紹

Memcheck。這是valgrind應用最廣泛的工具，一個重量級的內(nèi)存檢查器，能夠發(fā)現(xiàn)開發(fā)中絕大多數(shù)內(nèi)存錯誤使用情況，比如：使用未初始化的內(nèi)存，使用已經(jīng)釋放了的內(nèi)存，內(nèi)存訪問越界等。這也是本文將重點介紹的部分。

Callgrind。它主要用來檢查程序中函數(shù)調(diào)用過程中出現(xiàn)的問題。

Cachegrind。它主要用來檢查程序中緩存使用出現(xiàn)的問題。

Helgrind。它主要用來檢查多線程程序中出現(xiàn)的競爭問題。

Massif。它主要用來檢查程序中堆棧使用中出現(xiàn)的問題。

Extension。可以利用core提供的功能，自己編寫特定的內(nèi)存調(diào)試工具

3.2 常用選項

適用于所有Valgrind工具

–tool=最常用的選項。運行valgrind中名為toolname的工具。默認memcheck。
-h--help顯示幫助信息。
–version顯示valgrind內(nèi)核的版本，每個工具都有各自的版本。
-q--quiet安靜地運行，只打印錯誤信息。
-v--verbose更詳細的信息,增加錯誤數(shù)統(tǒng)計。
–trace-children=no|yes跟蹤子線程?[no]
–track-fds=no|yes跟蹤打開的文件描述？[no]
–time-stamp=no|yes增加時間戳到LOG信息?[no]
–log-fd=輸出LOG到描述符文件[2=stderr]
–log-file=將輸出的信息寫入到filename.PID的文件里，PID是運行程序的進行ID
–log-file-exactly=輸出LOG信息到file
–log-file-qualifier=取得環(huán)境變量的值來做為輸出信息的文件名。[none]
–log-socket=ipaddr:port輸出LOG到socket，ipaddr:port

LOG信息輸出

–xml=yes將信息以xml格式輸出，只有memcheck可用
–num-callers=showcallersinstacktraces[12]
–error-limit=no|yes如果太多錯誤，則停止顯示新錯誤?[yes]
–error-exitcode=如果發(fā)現(xiàn)錯誤則返回錯誤代碼[0=disable]
–db-attach=no|yes當出現(xiàn)錯誤，valgrind會自動啟動調(diào)試器gdb。[no]
–db-command=啟動調(diào)試器的命令行選項[gdb-nw%f%p]

適用于Memcheck工具的相關選項：

–leak-check=no|summary|full要求對leak給出詳細信息?[summary]
–leak-resolution=low|med|highhowmuchbtmerginginleakcheck[low]
–show-reachable=no|yesshowreachableblocksinleakcheck?[no]

更詳細的使用信息詳見幫助文件、man手冊或官網(wǎng)：http://valgrind.org/docs/manual/manual-core.html

注意

（1）valgrind不會自動的檢查程序的每一行代碼，只會檢查運行到的代碼分支，所以單元測試或功能測試用例很重要；

（2）可以把valgrind看成是一個sandbox，通過valgrind運行的程序?qū)嶋H上是運行在valgrind的sandbox中的，所以，不要測試性能，會讓你失望的，建議只做功能測試

（3）編譯代碼時，建議增加-g -o0選項，不要使用-o1、-o2選項

3.3 常用選項示例

–tool=< name > : use the Valgrind tool named < name > [memcheck]–log-file=< file > : log messages to < file >

示例：

valgrind--tool=memcheck--log-file=log.txt--leak-check=yes./test

說明：使用memcheck工具對test程序進行包含內(nèi)存泄漏的檢查，并將日志保存到log.txt

4、Memcheck工具介紹

Memcheck是valgrind應用最廣泛的工具，能夠發(fā)現(xiàn)開發(fā)中絕大多數(shù)內(nèi)存錯誤使用情況。此工具主要可檢查以下錯誤

使用未初始化的內(nèi)存(Use of uninitialised memory)

使用已經(jīng)釋放了的內(nèi)存(Reading/writing memory after it has been free’d)

使用超過malloc分配的內(nèi)存空間(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)

對堆棧的非法訪問(Reading/writing inappropriate areas on the stack)

申請的空間是否有釋放(Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)

malloc/free/new/delete申請和釋放內(nèi)存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])

src和dst的重疊(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)

#include
intmain()
{
int*pInt;
std::cout<<"使用未初始化的內(nèi)存";
?int?a=*pInt;????//使用未初始化的內(nèi)存
}

#include
intmain()
{
int*pArray=(int*)malloc(sizeof(int)*5);
std::cout<<"使用已經(jīng)釋放了的內(nèi)存";
?free(pArray);
?pArray[0]=0;????//使用已經(jīng)釋放了的內(nèi)存
}

#include
intmain()
{
int*pArray=(int*)malloc(sizeof(int)*5);
std::cout<<"使用超過malloc分配的內(nèi)存空間";
?pArray[5]=5;????//使用超過malloc分配的內(nèi)存空間
?free(pArray);
}

#include
intmain()
{
int*pArray=(int*)malloc(sizeof(int)*5);
std::cout<<"malloc缺少free";
}

#include
intmain()
{
chara[10];
for(charc=0;c

	

	注：程序有時會申請很多常駐節(jié)點，這些未釋放的節(jié)點不應視為問題；

	一般隨著程序的運行，導致節(jié)點單向增加的malloc或new操作，視為內(nèi)存泄漏

	4.1 示例1

	源碼：

	
#include
intmain()
{
int*pArray=(int*)malloc(sizeof(int)*5);
std::cout<<"使用超過malloc分配的內(nèi)存空間";
?pArray[5]=5;????//使用超過malloc分配的內(nèi)存空間
?free(pArray);
}
12345678


	

	編譯：

	
g++test1.cpp-g-otest1_g//-g：讓memcheck工具可以取到出錯的具體行號


	

	調(diào)試：

	
valgrind--leak-check=yes--log-file=1_g./test1_g


	

	生成日志文件1_g：

	

	（1）當前程序（./test1_g)的進程號

	（2）valgrind memcheck工具的license說明

	（3）加載程序的運行方式

	（4）父進程號，當前終端的進程

	（5）檢測到的錯誤信息

	（6）堆棧摘要、小結，該例子中總共兩次alloc、兩次free，沒有內(nèi)存泄漏

	（7) 檢測到的錯誤數(shù)量，這里提示1個

	4.2 示例2

	
#include
intmain()
{
int*pArray=(int*)malloc(sizeof(int)*5);
std::cout<<"使用已經(jīng)釋放了的內(nèi)存";
?free(pArray);
?pArray[0]=0;????//使用已經(jīng)釋放了的內(nèi)存
}


	

	編譯：

	
g++test7.cpp-g-otest7_g//-g：讓memcheck工具可以取到出錯的具體行號


	

	調(diào)試：

	
valgrind--leak-check=yes--log-file=7_g./test7_g


	

	生成日志文件7_g：

	

	（1）因為還是使用同一個終端，所以父進程還是8248

	（2) 有兩個非法的讀、寫錯誤

	編譯：

	
g++test7.cpp-g-otest2_g_O2-O2


	

	調(diào)試：

	
valgrind--leak-check=yes--log-file=7_g_O2./test7_g_O2


	

	生成日志文件7_g_O2：

	

	可以看到同樣的程序，在加上-O2之后，pArray[0]=0;語句被優(yōu)化掉了，所以沒有被檢測出來。

	為了做到更嚴格的檢測，編譯時需要保證編譯器沒有做優(yōu)化，即優(yōu)化等級為-O0，gcc、g++默認就是采用-O0的，但是大部分實際設計都會在Makefile中添加-O1或者-O2參數(shù)，所以最好還是檢查下。

	4.3 Memcheck 報告輸出文檔整體格式總結

	

	copyright 版權聲明

	異常讀寫報告2.1 主線程異常讀寫

	線程A異常讀寫報告線程B異常讀寫報告

	其他線程

	堆內(nèi)存泄露報告4.1 堆內(nèi)存使用情況概述(HEAP SUMMARY)

	4.2 確信的內(nèi)存泄露報告(definitely lost)

	4.3 可疑內(nèi)存操作報告 (show-reachable=no關閉，打開：–show-reachable=yes)

	4.4 泄露情況概述(LEAK SUMMARY)

	4.4 Memcheck 日志報告的基本格式

	
{問題描述}
at{地址、函數(shù)名、模塊或代碼行}
by{地址、函數(shù)名、代碼行}
by…{逐層依次顯示調(diào)用堆棧}
Address0x???{描述地址的相對關系}


	

	4.5 memcheck包含的7類錯誤

	illegal read/illegal write errors提示信息：[invalid read of size 4]

	use of uninitialised values提示信息：[Conditional jump or move depends on uninitialised value]

	use of uninitialised or unaddressable values in system calls提示信息：[syscall param write(buf) points to uninitilaised bytes]

	illegal frees提示信息：[invalid free()]

	when a heap block is freed with an inappropriate deallocation function提示信息：[Mismatched free()/delete/delete[]]

	overlapping source and destination blocks提示信息：[source and destination overlap in memcpy(,)]

	memory leak detection① still reachable內(nèi)存指針還在還有機會使用或釋放，指針指向的動態(tài)內(nèi)存還沒有被釋放就退出了

	② definitely lost確定的內(nèi)存泄露，已經(jīng)不能訪問這塊內(nèi)存

	③ indirectly lost指向該內(nèi)存的指針都位于內(nèi)存泄露處

	④ possibly lost可能的內(nèi)存泄露，仍然存在某個指針能夠快速訪問某塊內(nèi)存，但該指針指向的已經(jīng)不是內(nèi)存首位置

	4.6 memcheck工具原理

	Memcheck實現(xiàn)了一個仿真的CPU，被監(jiān)控的程序被這個仿真CPU解釋執(zhí)行，該仿真CPU可以在所有的內(nèi)存讀寫指令發(fā)生時，檢測地址的合法性和讀操作的合法性。

	

	Memcheck 能夠檢測出內(nèi)存問題，關鍵在于其建立了兩個全局表。

	Valid-Value 表：

	對于進程的整個地址空間中的每一個字節(jié)(byte)，都有與之對應的8 個bits；對于CPU 的每個寄存器，也有一個與之對應的bit 向量。這些bits 負責記錄該字節(jié)或者寄存器值是否具有有效的、已初始化的值。

	Valid-Address 表

	對于進程整個地址空間中的每一個字節(jié)(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：

	當要讀寫內(nèi)存中某個字節(jié)時，首先檢查這個字節(jié)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。

	內(nèi)核（core)類似于一個虛擬的CPU 環(huán)境，這樣當內(nèi)存中的某個字節(jié)被加載到真實的CPU 中時，該字節(jié)對應的V bit 也被加載到虛擬的

	CPU 環(huán)境中。一旦寄存器中的值，被用來產(chǎn)生內(nèi)存地址，或者該值能夠影響程序輸出，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內(nèi)存錯誤。

	簡單來說

	如何知道那些地址是合法的（內(nèi)存已分配）？維護一張合法地址表（Valid-address (A) bits），當前所有可以合法讀寫（已分配）的地址在其中有對應的表項。該表通過以下措施維護：

	① 全局數(shù)據(jù)(data, bss section)–在程序啟動的時候標記為合法地址

	② 局部變量–監(jiān)控sp(stack pointer)的變化，動態(tài)維護

	③動態(tài)分配的內(nèi)存–截獲 分配/釋放 內(nèi)存的調(diào)用：malloc, calloc, realloc, valloc, memalign, free, new, new[], delete and delete[]

	④ 系統(tǒng)調(diào)用–截獲mmap映射的地址

	⑤ 其他–可以顯示知會memcheck某地字段是合法的

	如何知道某內(nèi)存是否已經(jīng)被賦值？

	①維護一張合法值表（Valid-value (V) bits），指示對應的bit是否已經(jīng)被賦值。因為虛擬CPU可以捕獲所有對內(nèi)存的寫指令，所以這張表很容易維護。

	5、Callgrind工具介紹

	Callgrind性能分析工具，它不需要在編譯源碼時附加特殊選項。Callgrind使用cachegrind的統(tǒng)計信息Ir（I cache reads，即一條指令執(zhí)行的次數(shù)）來統(tǒng)計程序中函數(shù)的調(diào)用情況，建立函數(shù)調(diào)用關系圖，還可以有選擇地進行cache模擬。在運行結束時，它會把分析數(shù)據(jù)寫入一個文件，callgrind_annotate可以把這個文件的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成可讀的形式。

	5.1 Callgrind文本分析基本操作

	示例：

	（1）

	
cdlinux/bin
valgrind--tool=callgrind./Devtest


	

	生成一個文件：callgrind.out.27439

	或者

	
valgrind--tool=callgrind--separate-threads=yes./Devtest


	

	生成三個文件：callgrind.out.1234（為空），callgrind.out.1234-01（線程1），callgrind.out.1234-02（線程2）

	（2）

	
callgrind_annotatecallgrind.out.27439>log


	

	callgrind_annotate是可以將callgrind.out.pid文件的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可讀的形式，并重定向到log文件，分別打開callgrind.out.pid、log文件，你會發(fā)現(xiàn)它們的不同（callgrind.out.pid是人類不便于直接理解的格式，callgrind_annotate相當于一個翻譯，將callgrind.out.pid按照我們喜歡的方式展現(xiàn)出來）。

	callgrind_annotate解析callgrind.out.pid而生成的log文件，打開后內(nèi)容如下：

	

	可以看到每個函數(shù)所屬的動態(tài)庫，該函數(shù)調(diào)用所耗費的指令數(shù)，默認是從大到小排序的。

	callgrind_annotate 還有幾個可選參數(shù)：

	--inclusive=yes：不但分別統(tǒng)計每個語句的執(zhí)行次數(shù)，還把調(diào)用關系計算進入，比如函數(shù)foo調(diào)用了bar，那么foo的代價中會加入bar的代價。

	--tree=both：顯示調(diào)用關系。

	--auto=yes：會自動將統(tǒng)計信息和源碼關聯(lián)。就是會顯示每個函數(shù)的源碼，并且在前面顯示每條語句的運行代價

	（3）可以對單獨的文件進行關聯(lián)：

	
callgrind_annotatecallgrind.out.9441main.c|grep-v“???”


	

	注：“???”前綴的調(diào)用，都是系統(tǒng)庫底層調(diào)用，不重要，可用grep -v過濾掉

	5.2 Callgrind流程圖分析基本操作

	以工程右圖“官網(wǎng)提供的示例代碼”為例，會比較直觀：

	
gcc–gtest.c-otest
valgrind--tool=callgrind./test


	

	生成一個文件：callgrind.out.pid

	
pythongprof2dot.py-fcallgrind-n10-scallgrind.out.[pid]>valgrind.dot
dot-Tpngvalgrind.dot-ovalgrind.png


	

	打開圖片打開，據(jù)說能一目了然的知道運行時間消耗的分布

	

	6、Cachegrind工具介紹

	6.1 基本介紹

	Cachegrind基于Valgrind的剖析器（profiler）計算機系統(tǒng)變得越來越復雜，剖析存儲系統(tǒng)往往是系統(tǒng)瓶頸，需要剖析Cache

	功能

	模擬L1、L2 Cache

	剖析Cache行為，執(zhí)行次數(shù)、失效率等

	按照文件、函數(shù)、代碼行、匯編指令剖析

	作用

	詳細Cache剖析，發(fā)現(xiàn)程序瓶頸

	指令改進程序，提高執(zhí)行效率

	Trace驅(qū)動的Cache模擬器

	優(yōu)點

	容易使用，不需要重新編譯

	剖析所有執(zhí)行的代碼，包括庫

	不限定語言

	速度相對較快

	靈活，模擬不同配置的Cache

	6.2 使用步驟

	
valgrind--tool=cachegrind./test


	

	同時生成文件cachegrind.out.pid

	
callgrind_annotatecachegrind.out.4599|grep-v“???”

在這里插入圖片描述

	

	和callgrind一樣，也可以通過callgrind_annotate翻譯為可讀信息。從中可以看到I1 cache（指令緩存）、D1 cache（數(shù)據(jù)緩存）、LL cache（公共的二級緩存)的命中情況。

	7、Massif工具介紹

	Massif是一個內(nèi)存剖析工具。通過不斷的取程序堆的快照來達到監(jiān)視程序內(nèi)存分配的目的。

	7.1 示例

	
g++test.cc-otest
valgrind--tool=massif./test


	

	就得到一個massif文件：massif.out.pid

	使用ms_print來解析這個輸出文件：

	
ms_printmassif.out.pid


	

	通過圖形快照看出堆棧的內(nèi)存變化情況：

	

	8、Helgrind工具介紹

	Helgrind是Valgrind的一個重點功能 本節(jié)主要針對與多線程基本安全問題進行檢測。

	資源不安全訪問

	死鎖問題

	POSIX pthreads API的錯誤使用

	在前面幾個基礎上都能安全無誤的情況下 多于多線程程序就是要能夠能好將同步塊盡量縮到最小

	8.1 Helgrind 資源不安全訪問

	解決問題：

	問題1: 調(diào)用Helgrind能夠很好的解決掉，以右邊基本程序為例

	
#include

intvar=0;
void*child_fn(void*arg)
{
var++;
returnNULL;
}
intmain(void)
{
pthread_tchild;
pthread_tchild2;

pthread_create(&child,NULL,child_fn,NULL);
pthread_create(&child2,NULL,child_fn,NULL);

pthread_join(child,NULL);
pthread_join(child2,NULL);

return0;
}
123456789101112131415161718192021


	

	明顯var是共享的 不安全訪問，調(diào)用Helgrind看看怎么能夠檢測出來：

	
gcc-gtest.c-otest–lpthread
valgrind--tool=helgrind./test


	

	運行helgrind之后會生成如下結果，從信息提示中可以看到有兩個錯誤，對val全局變量的搶占使用

	

	問題2:

	死鎖問題是盡量避免，helgrind可以檢測出加鎖解鎖順序出現(xiàn)問題導致的死鎖問題，這個問題我們可以好好看下：https://blog.csdn.net/sfwtoms11/article/details/38438253

	再看下連續(xù)加2次鎖的情況

	
#include

pthread_mutex_tmut_thread;
intvar=0;
void*child_fn(void*arg)
{
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
var++;
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
returnNULL;
}

intmain(void)
{
pthread_tchild;
pthread_tchild2;
pthread_mutex_init(&mut_thread,NULL);
pthread_create(&child,NULL,child_fn,NULL);
pthread_create(&child2,NULL,child_fn,NULL);
pthread_join(child,NULL);
pthread_join(child2,NULL);
return0;
}
1234567891011121314151617181920212223


	

	mutex加解鎖順序?qū)е碌膯栴}：

	
#include

pthread_mutex_tmut_thread;
pthread_mutex_tmut_thread1;
intvar=0;
void*child_fn(void*arg){
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
pthread_mutex_lock(&mut_thread1);
var++;
pthread_mutex_unlock(&mut_thread);
pthread_mutex_unlock(&mut_thread1);
returnNULL;
}
void*child_fn1(void*arg)
{
pthread_mutex_lock(&mut_thread1);
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
var++;
pthread_mutex_unlock(&mut_thread1);
pthread_mutex_unlock(&mut_thread);
returnNULL;
}

intmain(void){
pthread_tchild;
pthread_tchild2;
pthread_mutex_init(&mut_thread,NULL);
pthread_mutex_init(&mut_thread1,NULL);
pthread_create(&child,NULL,child_fn,NULL);
pthread_create(&child2,NULL,child_fn1,NULL);
pthread_join(child,NULL);
pthread_join(child2,NULL);
return0;
}


	

	審核編輯：湯梓紅