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使用valgrind来发现内存泄漏和非法内存操作

翻译难免会因个人水平原因而有不准确的地方,请大家多批评指正,上面是原文链接,大家也可以直接去看看。
valgrind是Linux平台一个多用途的代码审查和内存调试工具。它可以在valgrind自己的环境中运行你的程序,监控malloc/free,(new/delete for C++)等内存调用。如果你用了未初始化的内存,数组越界写入,或者忘了free一个指针,valgrind会检测到它们。由于这些都是一些日常最普通的问题,这篇文章就主要介绍如何用valgrind来发现这类简单的内存问题,虽然valgrind可以做的更多。
 
对windows使用者来说,如果你没有对linux机器的访问权限,或者你想开发windows程序,那么你可能对IBM的Purity软件更有兴趣,Purity在检测内存问题方面与valgrind功能类似,你可以自己去下载它。
 
获取Valgrind
如果你正在运行linux,而没有安装valgrind,那么你可以从Valgrind download page下载。
安装很简单,只需要解压就可以了。(XYZ在下面的例子中是版本号的意思)
bzip2 -d valgrind-XYZ.tar.bz2
tar -xf valgrind-XYZ.tar
上面的操作会创建一个目录,名字为valgrind-XYZ,切换到这个目录,运行下面的命令
./configure
make
make install
现在你已经安装了valgrind,让我们看下怎么使用它
 
使用Valgrind查找内存泄漏
内存泄漏是最难检测的bug之一,因为直到你用完了内存而有一个malloc失败,它不会表现出任何外在的问题。实际上,当我们使用C/C++这类没有垃圾回收机制的语言来工作的时候,几乎一半的时间会花费在正确处理free内存的问题上。如果你的程序运行足够长的时间并且运行到了那个代码分支,即使一个错误也是代价巨大的。
 
当你用valgrind运行你的代码的时候,你需要指定使用valgrind的什么工具;简单地运行一下valgrind你就会得到当前的列表。在这篇文章中,我们主要使用memcheck工具,memcheck工具可以保证我们正确的内存使用。不加其他参数,valgrind会打印出调用call和malloc的一个概括信息(注意18490是我系统上的process id;在不同的运行时,它是不同的)
% valgrind --tool=memcheck program_name
...
=18515== malloc/free: in use at exit: 0 bytes in 0 blocks.
==18515== malloc/free: 1 allocs, 1 frees, 10 bytes allocated.
==18515== For a detailed leak analysis,  rerun with: --leak-check=yes
如果你有一处内存泄漏,那么alloc和free的数目就会不同(你不能用free去释放一块属于多个alloc的内存)。我们稍后会回来看这个概况,但是现在,注意一些errors被制止了,因为它们是来自标准库的,而不是来自你的代码。
 
如果alloc和free的数目不同,你需要用选项--leak-check来重新运行程序。这会向你展示所有的没有相匹配的free的malloc/new等调用。
为了说明,我用一个简单的程序,我编译成可执行文件"example1"
#include <stdlib.h>
int main()
{
    char *x = malloc(100); /* or, in C++, "char *x = new char[100] */
    return 0;
}
% valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes example1
这会产生关于上面展示的程序的一些信息,生成一份列表,调用malloc但是没有相应的free。
==2116== 100 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==2116==    at 0x1B900DD0: malloc (vg_replace_malloc.c:131)
==2116==    by 0x804840F: main (in /home/cprogram/example1)
这并没有按照我们希望的那样告诉我们太多,尽管我们知道这个内存泄漏是发现在main中对malloc的调用,但是我们不知道行号。这个问题是因为我们编译的时候没有用gcc的-g选项,这个选项会添加调试符号。因此我们重新编译,得到下面更有用的信息。
==2330== 100 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==2330==    at 0x1B900DD0: malloc (vg_replace_malloc.c:131)
==2330==    by 0x804840F: main (example1.c:5)
现在我们知道确切的行号,在哪里这块泄漏的内存被分配。尽管想要跟踪下去到free的时候,还是个问题,但是至少我们知道从哪开始查起。并且,既然对每一处malloc或new的调用,你都有计划如何处理这块内存,知道内存在哪里泄漏会让你知道从哪里开始查找问题。
 
有时,选项--leak-check=yes不会向你展示所有的内存泄漏。要找到所有的不成对的对free和new的调用,你需要使用选项--show-reachable=yes。它的输出基本是相同的,但是它会向你展示更多unfreed的内存。
 
使用Valgrind发现非法指针使用
Valgrind通过memcheck工具发现非法堆内存的使用。例如,如果你用malloc或new分配一个数组,然后尝试访问数组的边界外位置:
char *x = malloc(10);
x[10] = 'a';
Valgrind会检测到。例如,用valgrind运行下面的程序example2
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    char *x = malloc(10);
    x[10] = 'a';
    return 0;
}
运行方法:
valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes example2
结果为:
==9814==  Invalid write of size 1
==9814==    at 0x804841E: main (example2.c:6)
==9814==  Address 0x1BA3607A is 0 bytes after a block of size 10 alloc'd
==9814==    at 0x1B900DD0: malloc (vg_replace_malloc.c:131)
==9814==    by 0x804840F: main (example2.c:5)
上面的结果告诉我们:我们正在越界使用一个被分配了10bytes空间的指针,结果有一个‘Invalid write’。如果我们尝试从那块内存读数据,我们会被将被警告'Invalid read of size X',此处的X是我们尝试读取的内存大小(对char类型来说,它是1,对int就是2或者4).通常,Valgrind会打印出函数调用的堆栈信息,我们就会确切地知道错误在哪发生。
 
使用Valgrind检测未初始化的变量使用
Valgrind还有一个用途,它可以检测到在条件语句中使用未初始化的值。尽管你应该习惯在创建一个变量的时候进行初始化,但是Valgrind会帮助你发现那些你忘记的地方。例如,运行下面example3的代码:
#include <stdio.h>
 
int main()
{
    int x;
    if(x == 0)
    {
        printf("X is zero"); /* replace with cout and include 
                                iostream for C++ */
    }
    return 0;
}
结果为:
==17943== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==17943==    at 0x804840A: main (example3.c:6)
Valgrind会足够聪明,知道一个变量是否被用一个未初始化的变量赋值,例如,下面的代码:
#include <stdio.h>
 
int foo(int x)
{
    if(x < 10)
    {
        printf("x is less than 10\n");
    }
}
 
int main()
{
    int y;
    foo(y);
}
结果如下:
==4827== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==4827==    at 0x8048366: foo (example4.c:5)
==4827==    by 0x8048394: main (example4.c:14)
你可能会认为问题出在foo函数中,堆栈信息也不重要。但是,由于main传了一个未初始化的值给foo函数(你从来没有给y赋值),那么我们查找问题并跟踪变量的赋值堆栈,直到我们发现了一个未初始化的变量。
这只会在你的程序走到那个分支的时候帮助你,尤其是条件语句。所以确保在测试的时候能够让程序走过所有的分支。
 
Valgrind能够发现的其他问题
Valgrind会检测到其他的一些不恰当的内存使用:如果你free一个指针两次,Valgrind会为你检测到;你会得到下面错误:
Invalid free()
并跟随一些相关的堆栈
Valgrind也会检测到释放内存时选择了错误的方法。例如,在C++中,有3中基本的释放动态内存的方法:free,delete,delete[]。free函数只跟malloc匹配,delete只跟new匹配,delete[]只跟new[]匹配。(尽管有些编译器会为你处理此类用错delete的情况,但是不能保证所有的
补充:综合编程 , 其他综合 ,
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