应用 Valgrind 发现 Linux 程序的内存问题

杨 经 (cdlyangj@cn.ibm.com), 软件工程师, IBM2008 年 11 月 27 日

如何定位应用程序开发中的内存问题，一直是linux 应用程序开发中的瓶颈所在。有一款非常优秀的 linux 下开源的内存问题检测工具：valgrind，能够极大的帮助你解决上述问题。掌握 valgrind 的使用以及工作原理，能够有效地定位进而避免应用开发中的内存问题。

Valgrind 概述

体系结构

Valgrind是一套Linux下，开放源代码（GPL V2）的仿真调试工具的集合。Valgrind由内核（core）以及基于内核的其他调试工具组成。内核类似于一个框架（framework），它模拟了一个CPU环境，并提供服务给其他工具；而其他工具则类似于插件 (plug-in)，利用内核提供的服务完成各种特定的内存调试任务。Valgrind的体系结构如下图所示：

图 1 Valgrind 体系结构

Valgrind包括如下一些工具：

Linux 程序内存空间布局

要发现Linux下的内存问题，首先一定要知道在Linux下，内存是如何被分配的？下图展示了一个典型的Linux C程序内存空间布局：

图 2： 典型内存空间布局

一个典型的Linux C程序内存空间由如下几部分组成：

内存检查原理

Memcheck检测内存问题的原理如下图所示：

图 3 内存检查原理

Memcheck 能够检测出内存问题，关键在于其建立了两个全局表。

对于进程的整个地址空间中的每一个字节(byte)，都有与之对应的 8 个 bits；对于 CPU 的每个寄存器，也有一个与之对应的 bit 向量。这些 bits 负责记录该字节或者寄存器值是否具有有效的、已初始化的值。

对于进程整个地址空间中的每一个字节(byte)，还有与之对应的 1 个 bit，负责记录该地址是否能够被读写。

检测原理：

Valgrind 使用

第一步：准备好程序

为了使valgrind发现的错误更精确，如能够定位到源代码行，建议在编译时加上-g参数，编译优化选项请选择O0，虽然这会降低程序的执行效率。

这里用到的示例程序文件名为：sample.c（如下所示）,选用的编译器为gcc。

生成可执行程序 gcc –g –O0 sample.c –o sample

清单 1

第二步：在valgrind下，运行可执行程序。

利用valgrind调试内存问题，不需要重新编译源程序，它的输入就是二进制的可执行程序。调用Valgrind的通用格式是：valgrind [valgrind-options] your-PRog [your-prog-options]

Valgrind 的参数分为两类，一类是 core 的参数，它对所有的工具都适用；另外一类就是具体某个工具如 memcheck 的参数。Valgrind 默认的工具就是 memcheck，也可以通过“--tool=tool name”指定其他的工具。Valgrind 提供了大量的参数满足你特定的调试需求，具体可参考其用户手册。

这个例子将使用 memcheck，于是可以输入命令入下：valgrind <Path>/sample.

第三步：分析 valgrind 的输出信息。

以下是运行上述命令后的输出。

清单 2

示例程序显然有两个问题，一是fun函数中动态申请的堆内存没有释放；二是对堆内存的访问越界。这两个问题均被valgrind发现。

利用Memcheck发现常见的内存问题

在Linux平台开发应用程序时，最常遇见的问题就是错误的使用内存，我们总结了常见了内存错误使用情况，并说明了如何用valgrind将其检测出来。

使用未初始化的内存

问题分析：

对于位于程序中不同段的变量，其初始值是不同的，全局变量和静态变量初始值为0，而局部变量和动态申请的变量，其初始值为随机值。如果程序使用了为随机值的变量，那么程序的行为就变得不可预期。

下面的程序就是一种常见的，使用了未初始化的变量的情况。数组a是局部变量，其初始值为随机值，而在初始化时并没有给其所有数组成员初始化，如此在接下来使用这个数组时就潜在有内存问题。

清单 3

结果分析：

假设这个文件名为：badloop.c，生成的可执行程序为badloop。用memcheck对其进行测试，输出如下。

清单 4

输出结果显示，在该程序第11行中，程序的跳转依赖于一个未初始化的变量。准确的发现了上述程序中存在的问题。

内存读写越界

问题分析：

这种情况是指：访问了你不应该/没有权限访问的内存地址空间，比如访问数组时越界；对动态内存访问时超出了申请的内存大小范围。下面的程序就是一个典型的数组越界问题。pt是一个局部数组变量，其大小为4，p初始指向pt数组的起始地址，但在对p循环叠加后，p超出了pt数组的范围，如果此时再对p进行写操作，那么后果将不可预期。

清单 5

结果分析：

假设这个文件名为badacc.cpp，生成的可执行程序为badacc，用memcheck对其进行测试，输出如下。

清单 6

输出结果显示，在该程序的第15行，进行了非法的写操作；在第16行，进行了非法读操作。准确地发现了上述问题。

内存覆盖

问题分析：

C 语言的强大和可怕之处在于其可以直接操作内存，C 标准库中提供了大量这样的函数，比如 strcpy, strncpy, memcpy, strcat 等，这些函数有一个共同的特点就是需要设置源地址 (src)，和目标地址(dst)，src 和 dst 指向的地址不能发生重叠，否则结果将不可预期。

下面就是一个 src 和 dst 发生重叠的例子。在 15 与 17 行中，src 和 dst 所指向的地址相差 20，但指定的拷贝长度却是 21，这样就会把之前的拷贝值覆盖。第 24 行程序类似，src(x+20) 与 dst(x) 所指向的地址相差 20，但 dst 的长度却为 21，这样也会发生内存覆盖。

清单 7

结果分析：

假设这个文件名为 badlap.cpp，生成的可执行程序为 badlap，用 memcheck 对其进行测试，输出如下。

清单 8

输出结果显示上述程序中第15，17，24行，源地址和目标地址设置出现重叠。准确的发现了上述问题。

动态内存管理错误

问题分析：

常见的内存分配方式分三种：静态存储，栈上分配，堆上分配。全局变量属于静态存储，它们是在编译时就被分配了存储空间，函数内的局部变量属于栈上分配，而最灵活的内存使用方式当属堆上分配，也叫做内存动态分配了。常用的内存动态分配函数包括：malloc, alloc, realloc, new等，动态释放函数包括free, delete。

一旦成功申请了动态内存，我们就需要自己对其进行内存管理，而这又是最容易犯错误的。下面的一段程序，就包括了内存动态管理中常见的错误。

清单 9

常见的内存动态管理错误包括：

由于 C++ 兼容 C，而 C 与 C++ 的内存申请和释放函数是不同的，因此在 C++ 程序中，就有两套动态内存管理函数。一条不变的规则就是采用 C 方式申请的内存就用 C 方式释放；用 C++ 方式申请的内存，用 C++ 方式释放。也就是用 malloc/alloc/realloc 方式申请的内存，用 free 释放；用 new 方式申请的内存用 delete 释放。在上述程序中，用 malloc 方式申请了内存却用 delete 来释放，虽然这在很多情况下不会有问题，但这绝对是潜在的问题。

申请了多少内存，在使用完成后就要释放多少。如果没有释放，或者少释放了就是内存泄露；多释放了也会产生问题。上述程序中，指针p和pt指向的是同一块内存，却被先后释放两次。

本质上说，系统会在堆上维护一个动态内存链表，如果被释放，就意味着该块内存可以继续被分配给其他部分，如果内存被释放后再访问，就可能覆盖其他部分的信息，这是一种严重的错误，上述程序第16行中就在释放后仍然写这块内存。

结果分析：

假设这个文件名为badmac.cpp，生成的可执行程序为badmac，用memcheck对其进行测试，输出如下。

清单 10

输出结果显示，第14行分配和释放函数不一致；第16行发生非法写操作，也就是往释放后的内存地址写值；第17行释放内存函数无效。准确地发现了上述三个问题。

内存泄露

问题描述：

内存泄露（Memory leak）指的是，在程序中动态申请的内存，在使用完后既没有释放，又无法被程序的其他部分访问。内存泄露是在开发大型程序中最令人头疼的问题，以至于有人说，内存泄露是无法避免的。其实不然，防止内存泄露要从良好的编程习惯做起，另外重要的一点就是要加强单元测试（Unit Test），而memcheck就是这样一款优秀的工具。

下面是一个比较典型的内存泄露案例。main函数调用了mk函数生成树结点，可是在调用完成之后，却没有相应的函数：nodefr释放内存，这样内存中的这个树结构就无法被其他部分访问，造成了内存泄露。

在一个单独的函数中，每个人的内存泄露意识都是比较强的。但很多情况下，我们都会对malloc/free 或new/delete做一些包装，以符合我们特定的需要，无法做到在一个函数中既使用又释放。这个例子也说明了内存泄露最容易发生的地方：即两个部分的接口部分，一个函数申请内存，一个函数释放内存。并且这些函数由不同的人开发、使用，这样造成内存泄露的可能性就比较大了。这需要养成良好的单元测试习惯，将内存泄露消灭在初始阶段。

清单 11

清单 11.2

清单 11.3

结果分析：

假设上述文件名位tree.h, tree.cpp, badleak.cpp，生成的可执行程序为badleak，用memcheck对其进行测试，输出如下。

清单 12

该示例程序是生成一棵树的过程，每个树节点的大小为12（考虑内存对齐），共8个节点。从上述输出可以看出，所有的内存泄露都被发现。Memcheck将内存泄露分为两种，一种是可能的内存泄露（Possibly lost），另外一种是确定的内存泄露（Definitely lost）。Possibly lost 是指仍然存在某个指针能够访问某块内存，但该指针指向的已经不是该内存首地址。Definitely lost 是指已经不能够访问这块内存。而Definitely lost又分为两种：直接的（direct）和间接的（indirect）。直接和间接的区别就是，直接是没有任何指针指向该内存，间接是指指向该内存的指针都位于内存泄露处。在上述的例子中，根节点是directly lost，而其他节点是indirectly lost。

总结

本文介绍了valgrind的体系结构，并重点介绍了其应用最广泛的工具：memcheck。阐述了memcheck发现内存问题的基本原理，基本使用方法，以及利用memcheck如何发现目前开发中最广泛的五大类内存问题。在项目中尽早的发现内存问题，能够极大地提高开发效率，valgrind就是能够帮助你实现这一目标的出色工具。

转自： https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-valgrind/