使用Valgrind查找内存泄露和程序崩溃

发布时间：2023-07-24 20:01:39 作者：yexindonglai@163.com 阅读（1056）

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. #1. 下载源码
  2. https://sourceware.org/pub/valgrind/valgrind-3.15.0.tar.bz2
  4. #2.解压tar文件
  5. tar -xjf valgrind-3.16.1.tar.bz2
  7. #3. 进入解压后的文件夹
  8. cd valgrind-3.16.1
  10. # 4. 配置编译参数
  11. ./configure
  13. #5. 编译
  14. make
  16. #6. 安装
  17. sudo make install
  19. # 7. 检查安装情况
  20. valgrind --version
在线安装
  1. # ubuntu系统
  2. sudo apt install valgrind -y
  4. # centos系统
  5. yum install valgrind -y

三、valgrind 使用

valgrind 格式

  1. 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

  1. 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

  1. 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：

  1. gcc -o test thread.c -lpthread

然后执行以下命令输出结果

  1. 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

  1. #include "iostream"
  3. #include "stdio.h"
  4. int main() {
  5.     std::cout << "Hello, World! yeindong" << std::endl;
  6.     int * p;
  7.     *p =1;
  8.     return 0;
  9. }
2、编译

必须加上-g选项，否则不会打印崩溃位置；

  1. g++ -g main.cpp -o main
3、运行valgrind
  1. # 以下2行都可以，当不指定tool参数时默认就是是 --tool=memcheck
  2. valgrind --tools=memcheck ./main
  3. 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

  1. [root@master valgrind]# valgrind --tools=memcheck ./main
  2. valgrind: Unknown option: --tools=memcheck
  3. valgrind: Use --help for more information or consult the user manual.
  4. [root@master valgrind]# valgrind --tool=memcheck ./main
  5. ==9195== Memcheck, a memory error detector
  6. ==9195== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
  7. ==9195== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
  8. ==9195== Command: ./main
  9. ==9195== 
  10. Hello, World! yeindong
  11. ==9195== Use of uninitialised value of size 8
  12. ==9195==    at 0x400805: main (main.cpp:7)
  13. ==9195== 
  14. ==9195== Invalid write of size 4
  15. ==9195==    at 0x400805: main (main.cpp:7)
  16. ==9195==  Address 0x0 is not stack'd, malloc'd or (recently) free'd
  17. ==9195== 
  18. ==9195== 
  19. ==9195== Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV)
  20. ==9195==  Access not within mapped region at address 0x0
  21. ==9195==    at 0x400805: main (main.cpp:7)
  22. ==9195==  If you believe this happened as a result of a stack
  23. ==9195==  overflow in your program's main thread (unlikely but
  24. ==9195==  possible), you can try to increase the size of the
  25. ==9195==  main thread stack using the --main-stacksize= flag.
  26. ==9195==  The main thread stack size used in this run was 8388608.
  27. ==9195== 
  28. ==9195== HEAP SUMMARY:
  29. ==9195==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
  30. ==9195==   total heap usage: 0 allocs, 0 frees, 0 bytes allocated
  31. ==9195== 
  32. ==9195== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
  33. ==9195== 
  34. ==9195== Use --track-origins=yes to see where uninitialised values come from
  35. ==9195== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
  36. ==9195== ERROR SUMMARY: 2 errors from 2 contexts (suppressed: 0 from 0)
  37. Segmentation fault

举个例子-查找内存泄漏

准备代码 b.c

  1. #include "stdlib.h"
  2. #include "memory.h"
  3. int main() {
  4.     void * a1 = malloc(2);
  5.     void * a2 = malloc(20);
  6.     void * a3 = malloc(22);
  8.     free(a2);
  9.     free(a3);
  10. }
编译
  1. gcc -o b b.c -g
使用valgrind进行检测
  1. 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

  1. ==3823== Memcheck, a memory error detector
  2. ==3823== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
  3. ==3823== Using Valgrind-3.18.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
  4. ==3823== Command: ./b
  5. ==3823== 
  6. ==3823== 
  7. ==3823== HEAP SUMMARY:
  8. ==3823==     in use at exit: 2 bytes in 1 blocks
  9. ==3823==   total heap usage: 3 allocs, 2 frees, 44 bytes allocated
  10. ==3823== 
  11. ==3823== 2 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
  12. ==3823==    at 0x4848899: malloc (in /usr/libexec/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
  13. ==3823==    by 0x10917E: main (b.c:4)
  14. ==3823== 
  15. ==3823== LEAK SUMMARY:
  16. ==3823==    definitely lost: 2 bytes in 1 blocks
  17. ==3823==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
  18. ==3823==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
  19. ==3823==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
  20. ==3823==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
  21. ==3823== 
  22. ==3823== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
  23. ==3823== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

关键字： c++

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