C/C++生态工具链——内存泄露检测工具Valgrind

Coder-ZZ

发布于 2023-02-23 16:45:56

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文章被收录于专栏：C/C++进阶专栏C/C++进阶专栏

一，Valgrind简介

Valgrind提供了很多组件，这些组件可以用来分析和调试程序、检测内存是否正常使用、分析程序的性能等。Valgrind有自己的内核，它可以提供一个虚拟的CPU来运行程序，并完成程序的调试和剖析等任务。

Valgrind被设计成非侵入式的，利用它可以直接启动可执行程序，而不需要重新编译、链接和修改可执行程序对应的源代码。

Ubuntu环境下，用下面的安装命令即可开始使用Valgrind：

apt-get install valgrind

二，Valgrind主要组件介绍

1.Memcheck：内存检测组件，检测内存是否被非法使用等信息。

2.Cachegrind：缓存分析组件，检测缓存丢失和命中等信息。

3.Callgrind：函数调用分析组件，检测程序的运行时间和调用过程。

4.Massif：堆分析组件，检测程序使用了多少堆内存。

5.Helgrind：线程调试组件，检测多线程资源竞争等信息。

本文重点讲解Memcheck组件，因为它在开发中使用得最多。执行程序在Memcheck的监视下运行时，Memcheck将检查所有内存读取和写入，并截取对malloc/new/free/delete的调用。Memcheck会在错误使用内存时立即报告这些错误，并给出发生错误的源代码行号，以及与错误相关的函数的堆栈跟踪信息。

注意，Memcheck无法检测出静态分配或堆栈上的数组的超出范围读取/写入问题。

三，C++开发中常见的内存错误使用案例

（1）使用未初始化的内存，比如使用未初始化的指针。

（2）读/写已经被释放的内存。

（3）读/写内存越界，比如数组访问越界。

（4）内存覆盖，比如memcpy的src和dst指针有重叠。

（5）使用malloc/new/new[]和free/delete/delete[]不匹配。比如使用不匹配的分配和释放函数、分配了内存忘记释放、重复释放等。

（6）指针被重新赋值。

四，内存泄露检测教程

1.valgrind的调用方式：

valgrind [valgrind-options] your-prog [your-prog-options]

通用的选项：

--tool=<toolname> [default: memcheck]
#选择需要使用的Valgrind组件，例如例如 memcheck、cachegrind、callgrind等

-q, --quiet
#静默运行，仅打印错误消息

-v, --verbose
#打印程序各个方面的额外信息，例如：加载的共享对象、执行进度以及各种异常警告

--trace-children=<yes|no> [default: no]
#跟踪fork产生的子进程

--trace-children-skip=patt1,patt2,...
#跳过一些子进程

--vgdb=<no|yes|full> [default: yes]
#提供"gdbserver"的相关功能

--track-fds=<yes|no|all> [default: no]
#通过gdbserver monitor命令在退出或请求时打印文件描述符列表

--log-file=<filename>
#将Valgrind调试结果发送到指定文件

和错误信息相关的选项：

--demangle=<yes|no> [default: yes]
#启用/禁用C++函数名的自动解析

--error-limit=<yes|no> [default: yes]
#限制Valgrind跟踪的最多错误数量

--max-threads=<number> [default: 500]
#修改Valgrind最多可以处理的线程个数，默认为500个线程

生成xtree执行树相关的选项：

--xtree-memory=none|allocs|full [none]
#生成一个执行树，当设置为allocs时，内存执行树给出当前分配的字节数和当前分配的块数。

--xtree-memory-file=<filename> [default: xtmemory.kcg.%p]
#将xtree内存报告输出到指定文件

2.Memcheck组件的使用命令：

valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes --track-origins=yes [executable-name]

官方提供的操作手册：

Memcheck常用的命令选项：

--leak-check=<no|summary|yes|full> [default: summary]
#如果设置为summary，则显示整体发生了多少泄漏。如果设置为full或yes，则每个单独的泄漏将详细显示或计为错误信息。

--show-leak-kinds=<set> [default: definite,possible]
#指定显示的内存泄漏类型。例如：--show-leak-kinds=definite,indirect,possible,reachable或--show-leak-kinds=all

--show-reachable=<yes|no>, --show-possibly-lost=<yes|no>
#提供了另一种方法来指定要显示的内存泄漏类型。  --show-reachable=yes 相当于 --show-leak-kinds=all。

--xtree-leak-file=<filename> [default: xtleak.kcg.%p]
#在指定文件中生成xtree泄漏报告

--track-origins=<yes|no> [default: no]
#控制Memcheck是否跟踪未初始化值的来源。

Memcheck常见的可以检测的范围：

1.对未初始化内存的使用，检测此类问题，可以在使用时增加选项"--track-origin=yes"。

2.无效的内存访问，比如读/写释放后的内存块。

3.内存重叠，比如源内存和目标内存重叠。

4.缓冲区溢出检测。

5.不正确的malloc/free或new/delete匹配。

6.权限不足的系统调用。

3.如何看懂内存检测报告：

a.存在内存泄露时候的Memcheck结果样例：

LEAK SUMMARY:
definitely lost: 410 bytes in 8 blocks
indirectly lost: 68 bytes in 2 blocks
possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
still reachable: 1,136 bytes in 2 blocks
suppressed: 0 bytes in 0 blocks

b.没发现内存泄露时的Memcheck结果样例：

All heap blocks were freed -- no leaks are possible

内存检测报告中的信息：

==XXX==:

进程ID号。

in XXXXX：

代码地址。

HEAP SUMMARY：

程序在堆上的内存分配情况，举例：1 allocs表示分配了1次内存，0 frees表示释放了0次内存，4 bytes allocated表示分配了4个字节的内存。

LEAK SUMMARY:

内存泄露情况。

Definitely lost：

确认丢失，确认存在内存泄漏的。程序找不到这些内存块，也无法去释放它们。

Indirectly lost：

间接丢失，泄露的内存是一个指针，开发中常见的野指针问题。例如一个二叉树的根节点指针丢失了，那它的所有子节点也间接丢失。总是与"Definitely lost"一起出现，修复"Definitely lost"问题即可解决。

Still reachable：

可以访问，未丢失但也未释放内存。在程序结束前，这部分内存一直没释放，程序正常结束时，可以通过这些指针来释放内存。

possibly lost：

可能丢失，大部分情况下严重性和"Definitely lost"差不多，需要修复。

suppressed：

已被解决的，此处可忽略不看。

五，常见内测泄露检测使用案例

1.使用未初始化的变量

代码样例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(void)
{
    int a;
    if(a)
    a = a+1;
    return 0;
}

运行结果：

2.内存未被释放

代码样例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(void)
{
    char *ptr = (char*)malloc(10);
    return 0;
}

运行结果：

3.重复释放内存问题

代码样例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(void)
{
    char *ptr = (char*)malloc(10);
    free(ptr);
    free(ptr);

    return 0;
}

运行结果：

4.指向已释放内存的指针

代码样例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(void)
{
    char *ptr = (char*)malloc(10);
    free(ptr);

    ptr[3] = 'a';

    return 0;
}

运行结果：

5.无效的内存访问

代码样例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(void)
{
    char *ptr = (char*)malloc(10);
    ptr[11] = 'z';

    return 0;
}

运行结果：

六，Valgrind的局限性

Valgrind在对信号的模拟上，提供了POSIX版本的sigaction和sigprocmask功能实现，但是对于非POSIX版本的信号处理机制无法进行模拟。

如果开发者自定义内存管理函数，而不是使用malloc/new/free/delete，一旦内存使用出错， Memcheck组件不一定能检测出来。

在Memcheck组件下运行程序时，程序的内存消耗会大大增加，运行速度也会变慢很多。

七，参考阅读

https://valgrind.org/docs/manual/manual-core.html

https://students.cs.byu.edu/~cs235ta/labs/valgrind/valgrind.php

https://linoxide.com/valgrind-memcheck/

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。

原始发表：2022-11-08，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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