一、valgrind简介

Valgrind是一个GPL的软件，用于Linux（For x86, amd64 and ppc32）程序的内存调试和代码剖析。你可以在它的环境中运行你的程序来监视内存的使用情况，比如C 语言中的malloc和free或者 C++中的new和 delete。使用Valgrind的工具包，你可以自动的检测许多内存管理和线程的bug，避免花费太多的时间在bug寻找上，使得你的程序更加稳固。

二、安装valgrind

自行下载源码安装

#1. 下载源码
https://sourceware.org/pub/valgrind/valgrind-3.15.0.tar.bz2
#2.解压tar文件
tar -xjf valgrind-3.16.1.tar.bz2
#3. 进入解压后的文件夹
cd valgrind-3.16.1
# 4. 配置编译参数
./configure
#5. 编译
make
#6. 安装
sudo make install
# 7. 检查安装情况
valgrind --version

在线安装

# ubuntu系统
sudo apt install valgrind -y
# centos系统
yum install valgrind -y

三、valgrind 使用

valgrind 格式

valgrind [options] prog [args]

常用valgrind选项

在使用valgrind的过程中，可以使用很多选项来配置valgrind的行为。以下是一些常用的选项：

1. --leak-check=full：检查内存泄漏
2. --tool=helgrind：检查并发问题
3. --tool=callgrind：检查程序的性能问题
4. --trace-children=yes：跟踪子进程的情况
5. --tool=<toolname>：指定要使用的 Valgrind 工具，例如 memcheck、helgrind、cachegrind 等。
6. --leak-check=<yes|no|summary|full>：设置内存泄漏检测的级别，可以是 yes（默认，检测所有内存泄漏）、no（禁用内存泄漏检测）、summary（仅显示内存泄漏摘要）、full（显示详细的内存泄漏信息）。
7. --show-reachable=<yes|no>：是否显示仍然可访问的内存块的信息。
8. --track-origins=<yes|no>：是否跟踪未初始化值的来源。
9. --trace-children=<yes|no>：是否跟踪子进程。
10. --log-file=<filename>：将 Valgrind 输出重定向到指定的文件。
11. --suppressions=<filename>：指定一个包含错误报告抑制规则的文件。
12. --num-callers=<number>：设置堆栈跟踪中要显示的调用者数量。

valgrind主要功能

1. memcheck：检查程序中的内存问题，如泄漏、越界、非法指针等。
2. callgrind：检测程序代码的运行时间和调用过程，以及分析程序性能。
3. cachegrind：分析CPU的cache命中率、丢失率，用于进行代码优化。
4. helgrind：用于检查多线程程序的竞态条件。
5. massif：堆栈分析器，指示程序中使用了多少堆内存等信息。
6. lackey：
7. nulgrind：

1、Memcheck

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。所以，Memcheck 工具主要检查下面的程序错误：

1. 对未初始化内存的使用；
2. 读/写释放后的内存块；
3. 读/写超出malloc分配的内存块；
4. 读/写不适当的栈中内存块；
5. 内存泄漏，指向一块内存的指针永远丢失；
6. 不正确的malloc/free或new/delete匹配；
7. memcpy()相关函数中的dst和src指针重叠。

输出的错误信息翻译如下：

• Invalid write of size 4 // 内存越界，或者对未分配内存的内存进行赋值操作；
• Invalid free() / delete / delete[] // 重复释放
• Use of uninitialised value of size 4 // 非法指针，使用了未分配内存的指针
• Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV) //由于非法指针赋值导致的程序崩溃

  2、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。

使用示例，具体使用方法，请查阅相关资料

valgrind --tool=callgrind ./tmp

3、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。

使用方法

valgrind --tool=cachegrind ./程序名

4、Helgrind

它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。

举个栗子

先编译程序：

gcc -o test thread.c -lpthread

然后执行以下命令输出结果

valgrind --tool=helgrind ./test

5、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。

Massif对内存的分配和释放做profile。程序开发者通过它可以深入了解程序的内存使用行为，从而对内存使用进行优化。这个功能对C++尤其有用，因为C++有很多隐藏的内存分配和释放。

此外，lackey和nulgrind也会提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是为开发者展示如何创建一个工具。我们就不做介绍了。

四、举个栗子

1、准备一个会崩溃的c++代码

main.cpp

#include "iostream"
#include "stdio.h"
int main() {
    std::cout << "Hello, World! yeindong" << std::endl;
    int * p;
    *p =1;
    return 0;
}

2、编译

必须加上-g选项，否则不会打印崩溃位置；

g++ -g main.cpp -o main

3、运行valgrind

# 以下2行都可以，当不指定tool参数时默认就是是 --tool=memcheck
valgrind --tools=memcheck ./main
valgrind  ./main

4、结果分析

可以看到打印出了Use of uninitialised value of size 8和 Invalid write of size 4，非法访问指针和内存越界的错误，并且也指出了代码出错的位置main.cpp:7在main.cpp的第7行

[root@master valgrind]# valgrind --tools=memcheck ./main
valgrind: Unknown option: --tools=memcheck
valgrind: Use --help for more information or consult the user manual.
[root@master valgrind]# valgrind --tool=memcheck ./main
==9195== Memcheck, a memory error detector
==9195== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==9195== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==9195== Command: ./main
==9195== 
Hello, World! yeindong
==9195== Use of uninitialised value of size 8
==9195==    at 0x400805: main (main.cpp:7)
==9195== 
==9195== Invalid write of size 4
==9195==    at 0x400805: main (main.cpp:7)
==9195==  Address 0x0 is not stack'd, malloc'd or (recently) free'd
==9195== 
==9195== 
==9195== Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV)
==9195==  Access not within mapped region at address 0x0
==9195==    at 0x400805: main (main.cpp:7)
==9195==  If you believe this happened as a result of a stack
==9195==  overflow in your program's main thread (unlikely but
==9195==  possible), you can try to increase the size of the
==9195==  main thread stack using the --main-stacksize= flag.
==9195==  The main thread stack size used in this run was 8388608.
==9195== 
==9195== HEAP SUMMARY:
==9195==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==9195==   total heap usage: 0 allocs, 0 frees, 0 bytes allocated
==9195== 
==9195== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==9195== 
==9195== Use --track-origins=yes to see where uninitialised values come from
==9195== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
==9195== ERROR SUMMARY: 2 errors from 2 contexts (suppressed: 0 from 0)
Segmentation fault

五、举个例子-查找内存泄漏

准备代码 b.c

#include "stdlib.h"
#include "memory.h"
int main() {
    void * a1 = malloc(2);
    void * a2 = malloc(20);
    void * a3 = malloc(22);
    free(a2);
    free(a3);
}

编译

gcc -o b b.c -g

使用valgrind进行检测

valgrind --show-reachable=yes --leak-check=full  ./b

结果如下，会告诉你第四行代码出现了内存泄漏

==3823== Memcheck, a memory error detector
==3823== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==3823== Using Valgrind-3.18.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==3823== Command: ./b
==3823== 
==3823== 
==3823== HEAP SUMMARY:
==3823==     in use at exit: 2 bytes in 1 blocks
==3823==   total heap usage: 3 allocs, 2 frees, 44 bytes allocated
==3823== 
==3823== 2 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==3823==    at 0x4848899: malloc (in /usr/libexec/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==3823==    by 0x10917E: main (b.c:4)
==3823== 
==3823== LEAK SUMMARY:
==3823==    definitely lost: 2 bytes in 1 blocks
==3823==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==3823==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==3823==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==3823==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==3823== 
==3823== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
==3823== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

六、 错误解析

最近在写代码的时候, 发现了极其严重的内存泄漏. 娄神帮我找bug时, 使用了valgrind这个软件. Valgrind是一款用于内存调试、内存泄漏检测以及性能分析的软件开发工具.
下面解析一些常见的错误 :

1.Use of uninitialised value of size 8

==3185== Use of uninitialised value of size 8
==3185== at 0x108602: main (a.c:6)

这种情况是很常见的, 原因是使用了未初始化的的地址, 这时候应该查看一下程序是否使用了未初始化的指针

2.Invalid write of size 4

==3223== Invalid write of size 4
==3223== at 0x108602: main (a.c:6)8
==3223== Address 0x0 is not stack’d, malloc’d or (recently) free’d

这个错误原因是往错误的地址写入值, 这时候我们也应该查看一下程序用未初始化的指针赋值, 或者指针未被赋值.
和这个错误相对应的, 还有 Invalid read of size 4 错误提示.

3.Conditional jump or move depends on uninitialised value

==3397== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==3397== at 0x108656: main (in /home/ciaiy/Desktop/codingSpace/c/free/a)

这个错误原因是变量未被初始化, 就被使用

4.Invalid free

==3886== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()
==3886== at 0x4C2CE1B: free (vg_replace_malloc.c:530)
==3886== by 0x1086CD: main (a.c:10)

这个错误原因是free掉了不属于自己的空间, 错误原因有可能是指针指向的内存不再属于它了

5.HEAP SUMMARY

==3839== HEAP SUMMARY:
==3839== in use at exit: 412 bytes in 1 blocks
==3839== total heap usage: 2 allocs, 1 frees, 924 bytes allocated

最后一个是堆内存分析, 如上面的提示所示, 程序在退出时, 仍有412字节的空间未被free