1概述

1.1 介紹Valgrind是一套Linux下，開放源代碼（GPL V2）的模擬調試工具的集合。Valgrind由內核（core）以及基於內核的其他調試工具組成。內核類似於一個框架（framework），它模擬了一個CPU環境，並提供服務給其他工具；而其他工具則類似於插件 (plug-in)，利用內核提供的服務完成各種特定的內存調試任務。Valgrind的體系結構如下圖所示：

圖11.2 工具Valgrind的最新版是3.11.0，它一般包含下列工具： 1.Memcheck 最常用的工具，用來檢測程序中出現的內存問題，所有對內存的讀寫都會被檢測到，一切對malloc()/free()/new/delete的調用都會被捕獲。所以，它能檢測以下問題： 對未初始化內存的使用； 讀/寫釋放後的內存塊； 讀/寫超出malloc分配的內存塊； 讀/寫不適當的棧中內存塊；

內存泄漏，指向一塊內存的指針永遠丟失；

不正確的malloc/free或new/delete匹配； memcpy()相關函數中的dst和src指針重疊。 2.Callgrind 和gprof類似的分析工具，但它對程序的運行觀察更是入微，能給我們提供更多的信息。和gprof不同，它不需要在編譯源代碼時附加特殊選項，但加上調試選項是推薦的。Callgrind收集程序運行時的一些數據，建立函數調用關係圖，還可以有選擇地進行cache模擬。在運行結束時，它會把分析數據寫入一個文件。callgrind_annotate可以把這個文件的內容轉化成可讀的形式。 3.Cachegrind Cache分析器，它模擬CPU中的一級緩存I1，Dl和二級緩存，能夠精確地指出程序中cache的丟失和命中。如果需要，它還能夠為我們提供cache丟失次數，內存引用次數，以及每行代碼，每個函數，每個模塊，整個程序產生的指令數。這對優化程序有很大的幫助。 4.Helgrind 它主要用來檢查多線程程序中出現的競爭問題。Helgrind尋找內存中被多個線程訪問，而又沒有一貫加鎖的區域，這些區域往往是線程之間失去同步的地方，而且會導致難以發掘的錯誤。Helgrind實現了名為「Eraser」的競爭檢測演算法，並做了進一步改進，減少了報告錯誤的次數。不過，Helgrind仍然處於實驗階段。 5.Massif

堆棧分析器，它能測量程序在堆棧中使用了多少內存，告訴我們堆塊，堆管理塊和棧的大小。Massif能幫助我們減少內存的使用，在帶有虛擬內存的現代系統中，它還能夠加速我們程序的運行，減少程序停留在交換區中的幾率。

此外，lackey和nulgrind也會提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是為開發者展示如何創建一個工具。1.3 原理Memcheck 能夠檢測出內存問題，關鍵在於其建立了兩個全局表。Valid-Value 表對於進程的整個地址空間中的每一個位元組(byte)，都有與之對應的 8 個 bits；對於CPU的每個寄存器，也有一個與之對應的bit向量。這些bits負責記錄該位元組或者寄存器值是否具有有效的、已初始化的值。Valid-Address 表對於進程整個地址空間中的每一個位元組(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：當要讀寫內存中某個位元組時，首先檢查這個位元組對應的 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。內核（core）類似於一個虛擬的 CPU 環境，這樣當內存中的某個位元組被載入到真實的 CPU 中時，該位元組對應的 V bit 也被載入到虛擬的 CPU 環境中。一旦寄存器中的值，被用來產生內存地址，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存錯誤。

2 安裝使用

2.1安裝從官網http://www.valgrind.org下載最新版本（當前3.11）#tar xvf valgrind-3.11.1.tar.bz2#cd valgrind-3.11.1#./configure --prefix=/usr/local/valgrind--指定安裝目錄#make#make install2.2 命令介紹用法:valgrind[options] prog-and-args [options]: 常用選項，適用於所有Valgrind工具

-tool=<name> 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內核的版本，每個工具都有各自的版本。q –quiet 安靜地運行，只列印錯誤信息。v –verbose 更詳細的信息, 增加錯誤數統計。-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=<number> 輸出LOG到描述符文件 [2=stderr]-log-file=<file> 將輸出的信息寫入到filename.PID的文件裏，PID是運行程序的進行ID

-log-file-exactly=<file> 輸出LOG信息到 file

-log-file-qualifier=<VAR> 取得環境變數的值來做為輸出信息的文件名。 [none]-log-socket=ipaddr:port 輸出LOG到socket ，ipaddr:portLOG信息輸出:-xml=yes 將信息以xml格式輸出，只有memcheck可用-num-callers=<number> show <number> callers in stack traces [12]-error-limit=no|yes 如果太多錯誤，則停止顯示新錯誤? [yes]-error-exitcode=<number> 如果發現錯誤則返回錯誤代碼 [0=disable]-db-attach=no|yes 當出現錯誤，valgrind會自動啟動調試器gdb。[no]-db-command=<command> 啟動調試器的命令行選項[gdb -nw %f %p]

適用於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|high how much bt merging in leak check [low]-show-reachable=no|yes show reachable blocks in leak check? [no]3 應用實踐 下面通過介紹幾個範例來說明如何使用Memcheck （其他工具暫不涉及，感興趣可以交流），示例僅供參考，更多用途可在實際應用中不斷探索。3.1數組越界/內存未釋放#include<stdlib.h>void k(void){

int *x = malloc(8 * sizeof(int));

x[9] = 0; //數組下標越界} //內存未釋放int main(void){ k();return 0;}1）編譯程序test.cgcc -Wall test.c -g -o test#Wall提示所有告警，-g gdb，-o輸出

2）使用Valgrind檢查程序BUG

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./test#--leak-check=full 所有泄露檢查3) 運行結果如下：==2989== Memcheck, a memory error detector==2989== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPLd, by Julian Sewardet al.==2989== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h forcopyright info==2989== Command: ./test==2989====2989== Invalid write of size 4==2989== at 0x4004E2: k (test.c:5)==2989== by 0x4004F2: main (test.c:10)==2989== Address 0x4c27064 is 4 bytes after a block of size 32 allocd==2989== at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)==2989== by 0x4004D5: k (test.c:4)==2989== by 0x4004F2: main (test.c:10)==2989====2989====2989== HEAP SUMMARY:==2989== in use at exit: 32 bytes in 1 blocks==2989== total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 32 bytes allocated==2989====2989== 32 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1of 1==2989== at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)==2989== by 0x4004D5: k (test.c:4)==2989== by 0x4004F2: main (test.c:10)==2989====2989== LEAK SUMMARY:==2989== definitely lost: 32 bytes in 1 blocks==2989== indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks==2989== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks==2989== still reachable: 0 bytes in 0 blocks==2989==suppressed: 0 bytes in 0 blocks==2989====2989== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v==2989== ERROR SUMMARY: 2 errors from 2 contexts(suppressed: 6 from 6)3.2內存釋放後讀寫#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(void){char *p = malloc(1); //分配*p = a;char c = *p;printf("
[%c]
",c);free(p); //釋放 c = *p; //取值return 0;}1）編譯程序t2.cgcc -Wall t2.c -g -o t2 2）使用Valgrind檢查程序BUGvalgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t23) 運行結果如下： ==3058== Memcheck, a memory error detector==3058== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPLd, by JulianSeward et al.==3058== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -hfor copyright info==3058== Command: ./t2==3058== [a]==3058== Invalid read of size 1==3058== at 0x4005A3: main (t2.c:14)==3058== Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size1 freed==3058== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3058== by 0x40059E: main (t2.c:13)==3058====3058====3058== HEAP SUMMARY:==3058== in use at exit: 0 bytes in 0 blocks==3058== total heap usage: 1 allocs, 1 frees, 1 bytes allocated==3058====3058== All heap blocks were freed -- no leaks are possible==3058====3058== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v==3058== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts(suppressed: 6 from 6)從上輸出內容可以看到，Valgrind檢測到無效的讀取操作然後輸出「Invalid read of size 1」。3.3無效讀寫#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(void){ char *p = malloc(1); //分配1位元組 *p = a; char c = *(p+1); //地址加1 printf("
[%c]
",c); free(p); return 0;}1）編譯程序t3.cgcc -Wall t3.c -g -o t3 2）使用Valgrind檢查程序BUGvalgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t33) 運行結果如下：==3128== Memcheck, a memory error detector==3128== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPLd, by Julian Seward et al.==3128== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info==3128== Command: ./t3==3128====3128== Invalid read of size 1 #無效讀取==3128==at 0x400579: main (t3.c:9)==3128==Address 0x4c27041 is 0 bytes after a block of size 1 allocd==3128==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)==3128==by 0x400565: main (t3.c:6)==3128== []==3128====3128== HEAP SUMMARY:==3128==in use at exit: 0 bytes in 0 blocks==3128==total heap usage: 1 allocs, 1 frees, 1 bytes allocated==3128====3128== All heap blocks were freed -- no leaks are possible==3128====3128== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v==3128== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts(suppressed: 6 from 6)3.4內存泄露#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(void){int *p = malloc(1);*p = x;char c = *p;printf("%c
",c); //申請後未釋放 return 0;}1）編譯程序t4.cgcc -Wall t4.c -g -o t4 2）使用Valgrind檢查程序BUGvalgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t43) 運行結果如下：==3221== Memcheck, a memory error detector==3221== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPLd, by Julian Seward et al.==3221== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info==3221== Command: ./t4==3221====3221== Invalid write of size 4==3221==at 0x40051E: main (t4.c:7)==3221==Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size 1 allocd==3221==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)==3221==by 0x400515: main (t4.c:6)==3221====3221== Invalid read of size 4==3221==at 0x400528: main (t4.c:8)==3221==Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size 1 allocd==3221==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)==3221==by 0x400515: main (t4.c:6)==3221==x==3221====3221== HEAP SUMMARY:==3221==in use at exit: 1 bytes in 1 blocks==3221==total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 1 bytes allocated==3221====3221== 1 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1==3221==at 0x4A06A2E: malloc (vg_replace_malloc.c:270)==3221==by 0x400515: main (t4.c:6)==3221====3221== LEAK SUMMARY:==3221==definitely lost: 1 bytes in 1 blocks==3221==indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks==3221== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks==3221==still reachable: 0 bytes in 0 blocks==3221== suppressed: 0 bytes in 0 blocks==3221====3221== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v==3221== ERROR SUMMARY: 3 errors from 3 contexts(suppressed: 6 from 6)從檢查結果看，可以發現內存泄露。3.5內存多次釋放#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(void) { char *p; p=(char *)malloc(100); if(p) printf("Memory Allocated at: %s/n",p); else printf("Not Enough Memory!/n"); free(p); //重複釋放 free(p); free(p); return 0;} 1）編譯程序t5.cgcc -Wall t5.c -g -o t5 2）使用Valgrind檢查程序BUGvalgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t53) 運行結果如下：==3294== Memcheck, a memory error detector==3294== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPLd, by Julian Sewardet al.==3294== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h forcopyright info==3294== Command: ./t5==3294====3294== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)==3294== at 0x3CD4C47E2C: vfprintf (in /lib64/libc-2.12.so)==3294== by 0x3CD4C4F189: printf (in /lib64/libc-2.12.so)==3294== by 0x400589: main (t5.c:9)==3294====3294== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3294== by 0x4005B5: main (t5.c:13)==3294== Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size100 freed==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3294== by 0x4005A9: main (t5.c:12)==3294====3294== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3294== by 0x4005C1: main (t5.c:14)==3294== Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size100 freed==3294== at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3294== by 0x4005A9: main (t5.c:12)==3294==Memory Allocated at: /n==3294====3294== HEAP SUMMARY:==3294== in use at exit: 0 bytes in 0 blocks==3294== total heap usage: 1 allocs, 3 frees, 100 bytes allocated從上面的輸出可以看到(標註), 該功能檢測到我們對同一個指針調用了3次釋放內存操作。3.6內存動態管理常見的內存分配方式分三種：靜態存儲，棧上分配，堆上分配。全局變數屬於靜態存儲，它們是在編譯時就被分配了存儲空間，函數內的局部變數屬於棧上分配，而最靈活的內存使用方式當屬堆上分配，也叫做內存動態分配了。常用的內存動態分配函數包括：malloc, alloc, realloc, new等，動態釋放函數包括free, delete。一旦成功申請了動態內存，我們就需要自己對其進行內存管理，而這又是最容易犯錯誤的。下面的一段程序，就包括了內存動態管理中常見的錯誤。#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(int argc,char *argv[]){int i;char* p = (char*)malloc(10);char* pt=p;for(i = 0;i < 10;i++) {p[i] = z; }free(p);pt[1] = x;free(pt);return 0;}1）編譯程序t6.cgcc -Wall t6.c -g -o t6 2）使用Valgrind檢查程序BUGvalgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./t63) 運行結果如下：==3380== Memcheck, a memory error detector==3380== Copyright (C) 2002-2012, and GNU GPLd, by Julian Seward et al.==3380== Using Valgrind-3.8.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info==3380== Command: ./t6==3380====3380== Invalid write of size 1==3380==at 0x40055C: main (t6.c:14)==3380==Address 0x4c27041 is 1 bytes inside a block of size 10 freed==3380==at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3380==by 0x400553: main (t6.c:13)==3380====3380== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()==3380==at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3380==by 0x40056A: main (t6.c:15)==3380==Address 0x4c27040 is 0 bytes inside a block of size 10 freed==3380==at 0x4A06430: free (vg_replace_malloc.c:446)==3380==by 0x400553: main (t6.c:13)==3380====3380====3380== HEAP SUMMARY:==3380==in use at exit: 0 bytes in 0 blocks==3380==total heap usage: 1 allocs, 2 frees, 10 bytes allocated 申請內存在使用完成後就要釋放。如果沒有釋放，或少釋放了就是內存泄露；多釋放也會產生問題。上述程序中，指針p和pt指向的是同一塊內存，卻被先後釋放兩次。系統會在堆上維護一個動態內存鏈表，如果被釋放，就意味著該塊內存可以繼續被分配給其他部分，如果內存被釋放後再訪問，就可能覆蓋其他部分的信息，這是一種嚴重的錯誤，上述程序第14行中就在釋放後仍然寫這塊內存。 輸出結果顯示，第13行分配和釋放函數不一致；第14行發生非法寫操作，也就是往釋放後的內存地址寫值；第15行釋放內存函數無效。文末也給大家，分享主要有C/C++，Linux，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒體，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，協程，DPDK技術，面試技巧方面的資料技術討論。感興趣的朋友可以加羣：812855908
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