【原创】Valgrind基础

Valgrind 概述

Valgrind 是一种用于构建动态分析工具集的框架&＃xff1b;
Valgrind 工具能够自动探测许多种类的内存管理 bug 和线程 bug &＃xff0c;能够帮助你在细微处进行程序调优&＃xff1b;
你可以基于 Valgrind 构建新工具集&＃xff1b;

Valgrind 当前发布版包含了六种产品质量相关工具&＃xff1a;

一种内存错误探测器
两种线程错误探测器
一种 cache 和分支预测分析工具
一种 call-graph generating cache 和分支预测分析工具
一种堆分析工具

Valgrind 还包含了三种实验性工具&＃xff1a;

heap/stack/global 数组越界探测器
a second heap profiler that examines how heap blocks are used
a SimPoint basic block vector generator

Valgrind 与 CPU 、操作系统&＃xff0c;以及编译器和基础 C 库都是强相关的&＃xff1b;移植 Valgrind 是比较困难的。
尽管如此&＃xff0c;Valgrind 已经支持如下各种平台&＃xff1a;

- X86/Linux
- AMD64/Linux
- PPC32/Linux
- PPC64/Linux
- ARM/Linux
- x86/MacOSX
- AMD64/MacOSX
- S390X/Linux
- MIPS32/Linux
- MIPS64/Linux

Note that AMD64 is just another name for x86_64 , and Valgrind runs fine on Intel processors.
Also note that the core of MacOSX is called " Darwin " and this name is used sometimes.

Valgrind is licensed under the GNU General Public License, version 2.
However: if you contribute code, you need to make it available as GPL version 2 or later, and not 2-only.

Valgrind 源码安装

基于 tar.bz2 源码包的安装&＃xff1a;

Run ./configure, with some options if you wish. The only interesting one is the usual --prefix&＃61;/where/you/want/it/installed.
Run "make".
Run "make install", possibly as root if the destination permissions require that.
See if it works. Try "valgrind ls -l". Either this works, or it bombs out with some complaint.

Important ! Do not move the valgrind installation into a place different from that specified by --prefix at build time.
This will cause things to break in subtle ways, mostly when Valgrind handles fork/exec calls.

Valgrind 工具套装

The Valgrind distribution includes the following debugging and profiling tools:

Memcheck
Memcheck 用于探测程序中存在的内存管理问题&＃xff0c;主要针对 C 和 C&＃43;&＃43; 程序&＃xff1b;
当程序运行在 Memcheck 监控之下时&＃xff0c;所有针对内存的读写操作都将被检查&＃xff0c;所有 malloc/new/free/delete 调用都会被拦截&＃xff1b;
因此&＃xff0c;Memcheck 能够探测到你的程序是否存在以下的问题&＃xff1a;

Accesses memory it shouldn&＃39;t (areas not yet allocated, areas that have been freed, areas past the end of heap blocks, inaccessible areas of the stack).
访问了不该访问的内存&＃xff08;尚未分配过的区域&＃xff1b;已经被释放掉的区域&＃xff1b;超过堆块边界的区域&＃xff1b;栈中不可访问的区域&＃xff09;
Uses uninitialised values in dangerous ways.
以危险方式使用未初始化的值
Leaks memory.
存在内存泄露
Does bad frees of heap blocks (double frees, mismatched frees).
针对堆块执行了错误的 free 行为&＃xff08;double free 或 mismatched free&＃xff09;
Passes overlapping source and destination memory blocks to memcpy() and related functions.
基于 memcpy() 或其他相关函数操作了存在重叠的源和目的地址所指向的内存块&＃xff1b;

Memcheck 会在遇到上述错误的时候立即进行报告&＃xff0c;同时给出错误发生对应的源码行号&＃xff0c;以及触发该错误时对应的函数调用栈&＃xff1b;
Memcheck 是基于字节进行寻址跟踪&＃xff0c;基于比特进行 value 的初始化跟踪&＃xff1b;所以&＃xff0c;其可以探测出单独一比特未初始化数据的使用&＃xff0c;而不会作为比特运行错误进行报告&＃xff1b;
基于 Memcheck 运行程序时将会比常规运行慢 10-30 倍&＃xff1b;

Cachegrind
Cachegrind 是一种 cache 分析工具&＃xff1b;
Cachegrind 能够针对 CPU 进行 I1, D1 和 L2 cache 的详细模拟&＃xff0c;并精确的定位出代码中导致 cache miss 的地方&＃xff1b;
Cachegrind 能够确定出 cache miss 的次数、内存引用情况&＃xff0c;以及会触发 cache miss 的每一行代码&＃xff0c;每一个函数&＃xff0c;每一个模块&＃xff0c;并给出整个程序的情况摘要&＃xff1b;
Cachegrind 对于任何语言编写的程序都非常有用&＃xff1b;
基于 Cachegrind 运行程序时将会比常规运行慢 20-100 倍&＃xff1b;

Callgrind
Callgrind 是针对 Cachegrind 的扩展&＃xff1b;
Callgrind 提供了 Cachegrind 所能提供的全部信息&＃xff0c;还额外提供了关于 callgraphs 的信息&＃xff1b;
Callgrind 在 Valgrind 的 3.2.0 主发布版中被加入&＃xff1b;
另外还有一个名为 KCachegrind 的可视化工具&＃xff0c;可以对 Callgrind 收集到的信息尽心更好的展示&＃xff1b;

Massif
Massif 是一种堆分析工具&＃xff1b;
Massif 通过对程序堆获取常规快照&＃xff0c;进而展开详细堆分析&＃xff1b;
Massif 能够生成随时间变化的堆使用图&＃xff0c;其中会给出程序的哪些部分进行了绝大部分的内存分配操作&＃xff1b;
作为图的补充&＃xff0c;通过 text 或 HTML 文件能够确定分配内存最多地方的更多信息&＃xff1b;
基于 Massif 运行程序时将会比常规运行慢 20 倍&＃xff1b;

Helgrind
Helgrind 是一种线程调试器&＃xff0c;用于查找多线程程序中的数据竞争&＃xff1b;
Helgrind 会查出特定类型内存的位置&＃xff1a;被多于一个(POSIX p-)thread 所访问&＃xff0c;但是却没有发现保证访问一致性的锁&＃xff1b;
这类位置已经隐式表明了多线程同步的缺失&＃xff0c;将会导致非常难于发现的时序问题&＃xff1b;
Helgrind 对于任何使用 pthreads 的程序都非常有用&＃xff1b;

DRD
DRD 是一种检测多线程 C 和 C&＃43;&＃43; 程序错误的工具&＃xff1b;
DRD 对于任何使用 POSIX 线程原语的程序有效&＃xff1b;或对于任何构建与 POSIX 线程原语之上的、使用线程概念的程序有效&＃xff1b;
尽管 Helgrind 能够检测出锁定顺序违反等问题&＃xff0c;但对于大部分程序来说&＃xff0c;DRD 在进行分析时将花费更少的内存&＃xff1b;

Lackey, Nulgrind
Lackey and Nulgrind are also included in the Valgrind distribution. They don&＃39;t do very much, and are there for testing and demonstrative purposes.

Other Tools
Several other Valgrind tools have been created: you can find a list of them on the Variants / Patches page.

FAQ 摘译

1.1. How do you pronounce "Valgrind"?
The "Val" as in the word "value". The "grind" is pronounced with a short &＃39;i&＃39; -- ie. "grinned" (rhymes with "tinned") rather than "grined" (rhymes with "find").

4.4. My program crashes normally, but doesn&＃39;t under Valgrind, or vice versa. What&＃39;s happening?
基于 valgrind 运行目标程序和直接运行目标程序两种方式存在些许不同&＃xff1b;例如&＃xff0c;内存布局会不同&＃xff0c;线程调度方式会不同。

  在大多数情况下&＃xff0c;上述差异不会导致什么问题&＃xff0c;但当你的程序本身存在 bug 的时候&＃xff0c;可能会遇到一些问题。例如&＃xff0c;如果你的程序原本会崩溃于错误的访问了非法内存地址的情况&＃xff0c;而在基于 valgrind 运行时可能&＃xff0c;该地址可能就是合法的内存地址了。另一种情况是&＃xff0c;如果你的程序存在数据竞争&＃xff0c;但在 valgrind 下可能不会显现出来。

对于上面的情况&＃xff0c;你是无法做出任何应对的&＃xff0c;因为这就是 valgrind 的工作方式&＃xff0c;即 valgrind 无法精确的复制出可执行程序的本地执行环境。当出现你的程序崩溃于内存错误&＃xff0c;但在 valgrind 下无法出现时&＃xff0c;大多数情况下&＃xff0c;Memcheck 工具应该都能检测出错误的内存操作。

4.5. Memcheck doesn&＃39;t report any errors and I know my program has errors.
产生上述问题可能有两种原因。

首先&＃xff0c;默认情况下&＃xff0c;valgrind 只会跟踪 top-level 进程&＃xff0c;因此&＃xff0c;如果你的程序会创建子进程&＃xff0c;则默认情况下&＃xff0c;子进程不会被 valgrind 所跟踪。同样的&＃xff0c;如果你的程序时通过 shell 脚本、Perl 脚本&＃xff0c;或者其他类似的脚本启动的&＃xff0c;那么 valgrind 将会跟踪 shell 或 Perl 解析器&＃xff0c;或其他类似的东西。

为了跟踪子进程&＃xff0c;需要使用  --trace-children&＃61;yes 选项。

如果你打算跟踪的进程是由很多进程构成&＃xff0c;最好的方式是将输出结构通过网络发送到某处。可以通过指定  --log-socket&＃61;127.0.0.1:12345 选项&＃xff08;将输出结果发送到本地 12345 端口&＃xff09;达成此目的。你可以使用  valgrind-listener 程序建立该端口的监听。

valgrind-listener 12345 当然&＃xff0c;你必须事先启动监听进程才能正常工作。

其次&＃xff0c;大多数 valgrind 工具的工作模式为&＃xff0c;通过替换程序中的某些函数&＃xff0c;例如 malloc &＃xff0c;为自定义版本&＃xff0c;来达成探测和分析的目的 &＃xff0c;如果你的程序是静态链接的 &＃xff0c;则不会进程这种替换&＃xff0c;从而无法进程有效的检测。例如&＃xff0c;可能从 Memcheck 输出中看到输出

All heap blocks were freed -- no leaks are possible 而实际上&＃xff0c;你明确知道自己调用了 malloc 。解决办法就是使用 --soname-synonyms&＃61;somalloc&＃61;NONE 设置&＃xff0c;或者在目标程序中避免使用静态链接。

还存在另外一种无法进行替换的情况&＃xff0c;即使用了另外一种 malloc 库&＃xff0c;例如 tcmalloc 或 jemalloc 等。在这种情况下&＃xff0c;需要通过指定 --soname-synonyms&＃61;somalloc&＃61;zzzz 选项&＃xff08;其中 zzzz 为替换用的 malloc 库的 soname&＃xff09;&＃xff0c;以允许 valgrind 进行相应替换。

4.6. Why doesn&＃39;t Memcheck find the array overruns in this program?

int static[5];int main(void) {int stack[5];static[5] &＃61; 0;stack [5] &＃61; 0;return 0; } 非常不幸的是&＃xff0c;Memcheck 无法针对全局数组或栈数组进行边界检查。我们很想做到&＃xff0c;但是目前尚未找到一种合理的实现方式&＃xff0c;令这种检查与 Memcheck 的工作方式相符&＃xff0c;所以&＃xff0c;非常抱歉。
然而&＃xff0c;实验工具 SGcheck 能够探测出这种错误。你可以通过指定 --tool&＃61;exp-sgcheck 选项运行 valgrind 进程相关检查&＃xff0c;唯一需要明确的是&＃xff0c;该工具可能没有 Memcheck 那么健壮。

5.2. With Memcheck&＃39;s memory leak detector, what&＃39;s the difference between "definitely lost", "indirectly lost", "possibly lost", "still reachable", and "suppressed"?
详细信息可以参见用户手册中的 Memcheck 章节。
简要说明如下&＃xff1a;

"definitely lost" 意味着你的程序一定存在内存泄露&＃xff1b;
"indirectly lost" 意味着你的程序一定存在内存泄露&＃xff0c;并且泄露情况和指针结构相关&＃xff08;例如&＃xff0c;如果二叉树的根节点被判定为"definitely lost"&＃xff0c;则其所有子节点将被判定为"indirectly lost"&＃xff09;&＃xff1b;如果你正确修复了类型为 "definitely lost" 的泄露&＃xff0c;那么类型为 "indirectly lost" 的泄露应该会随着消失&＃xff1b;
"possibly lost" 意味着你的程序一定存在内存泄露&＃xff0c;除非你是故意进行着不符合常规的操作&＃xff0c;例如将指针指向某个已分配内存块的中间位置。参见用户手册查询一些可能的情况。可以指定 --show-possibly-lost&＃61;no 选项屏蔽掉这类报告信息。
"still reachable" 意味着你的程序可能是没问题的&＃xff0c;但确实没有释放掉一些本可以释放的内存。这种情况是很常见的&＃xff0c;并且通常基于合理的理由。可以通过 --show-reachable&＃61;yes 选项控制是否输出相应的报告信息。
"suppressed" 意味着有些泄露信息被压制了。在默认的 suppression 文件中可以看到一些 suppression 相关设置。理论上讲&＃xff0c;你可以忽略这类错误。

5.4. Is it possible to attach Valgrind to a program that is already running?
不可以&＃xff0c;因为 valgrind 为程序运行使用了完全不同的环境设置&＃xff0c;例如采用了不同的内存布局方案等。所以 valgrind 需要在程序启动伊始就进行完全控制。

It is possible to achieve something like this by running your program without any instrumentation (which involves a slow-down of about 5x, less than that of most tools), and then adding instrumentation once you get to a point of interest. Support for this must be provided by the tool, however, and Callgrind is the only tool that currently has such support. See the instructions on the callgrind_control program for details.

实验输出

[root&＃64;Betty ~]# [root&＃64;Betty ~]# valgrind ls -l &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; Memcheck, a memory error detector &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; Copyright (C) 2002-2015, and GNU GPL&＃39;d, by Julian Seward et al. &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; Using Valgrind-3.11.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; Command: ls -l &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; 总用量 504 -rw-------. 1 root root 1676 3月 10 2014 anaconda-ks.cfg ... &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; HEAP SUMMARY: &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; in use at exit: 20,296 bytes in 33 blocks &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; total heap usage: 266 allocs, 233 frees, 99,073 bytes allocated &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; LEAK SUMMARY: &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; definitely lost: 0 bytes in 0 blocks &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; possibly lost: 0 bytes in 0 blocks &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; still reachable: 20,296 bytes in 33 blocks &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; suppressed: 0 bytes in 0 blocks &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; Rerun with --leak-check&＃61;full to see details of leaked memory &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v &＃61;&＃61;23285&＃61;&＃61; ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 4 from 4) [root&＃64;Betty ~]# [root&＃64;Betty ~]#