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  • linux下利用valgrind工具进行内存泄露检测和性能分析
  • valgrind通常用来成分析程序性能及程序中的内存泄露错误

    一 Valgrind工具集简绍

    Valgrind包含下列工具:

        1、memcheck:检查程序中的内存问题,如泄漏、越界、非法指针等。

        2、callgrind:检测程序代码的运行时间和调用过程,以及分析程序性能。

        3、cachegrind:分析CPU的cache命中率、丢失率,用于进行代码优化。

        4、helgrind:用于检查多线程程序的竞态条件。

        5、massif:堆栈分析器,指示程序中使用了多少堆内存等信息。

        6、lackey:

        7、nulgrind:

    这几个工具的使用是通过命令:valgrand --tool=name 程序名来分别调用的,当不指定tool参数时默认是 --tool=memcheck

    二 Valgrind工具详解

    1.Memcheck

        最常用的工具,用来检测程序中出现的内存问题,所有对内存的读写都会被检测到,一切对malloc、free、new、delete的调用都会被捕获。所以,它能检测以下问题:

           1、对未初始化内存的使用;

           2、读/写释放后的内存块;

           3、读/写超出malloc分配的内存块;

           4、读/写不适当的栈中内存块;

           5、内存泄漏,指向一块内存的指针永远丢失;

           6、不正确的malloc/free或new/delete匹配;

           7、memcpy()相关函数中的dst和src指针重叠。

    这些问题往往是C/C++程序员最头疼的问题,Memcheck能在这里帮上大忙。
    例如:

    #include <stdlib.h>
    #include <malloc.h>
    #include <string.h>
     
    void test()
    {
        int *ptr = malloc(sizeof(int)*10);
     
        ptr[10] = 7; // 内存越界
     
        memcpy(ptr +1, ptr, 5); // 踩内存
     
     
        free(ptr); 
        free(ptr);// 重复释放
     
        int *p1;
        *p1 = 1; // 非法指针
    }
     
    int main(void)
    {
        test();
        return 0;
    }
    
    

    将程序编译生成可执行文件后执行:valgrind --leak-check=full ./程序名
    输出结果如下:

    ==4832== Memcheck, a memory error detector
    ==4832== Copyright (C) 2002-2010, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
    ==4832== Using Valgrind-3.6.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
    ==4832== Command: ./tmp
    ==4832==
    ==4832== Invalid write of size 4      // 内存越界
    ==4832==    at 0x804843F: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==    by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==  Address 0x41a6050 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd
    ==4832==    at 0x4026864: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
    ==4832==    by 0x8048435: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==    by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==
    ==4832== Source and destination overlap in memcpy(0x41a602c, 0x41a6028, 5) // 踩内存
    ==4832==    at 0x4027BD6: memcpy (mc_replace_strmem.c:635)
    ==4832==    by 0x8048461: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==    by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==
    ==4832== Invalid free() / delete / delete[] // 重复释放
    ==4832==    at 0x4025BF0: free (vg_replace_malloc.c:366)
    ==4832==    by 0x8048477: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==    by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==  Address 0x41a6028 is 0 bytes inside a block of size 40 free'd
    ==4832==    at 0x4025BF0: free (vg_replace_malloc.c:366)
    ==4832==    by 0x804846C: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==    by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==
    ==4832== Use of uninitialised value of size 4 // 非法指针
    ==4832==    at 0x804847B: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==    by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==
    ==4832==
    ==4832== Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV) //由于非法指针赋值导致的程序崩溃
    ==4832==  Bad permissions for mapped region at address 0x419FFF4
    ==4832==    at 0x804847B: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==    by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
    ==4832==
    ==4832== HEAP SUMMARY:
    ==4832==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
    ==4832==   total heap usage: 1 allocs, 2 frees, 40 bytes allocated
    ==4832==
    ==4832== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
    ==4832==
    ==4832== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
    ==4832== Use --track-origins=yes to see where uninitialised values come from
    ==4832== ERROR SUMMARY: 4 errors from 4 contexts (suppressed: 11 from 6)
    Segmentation fault

    从valgrind的检测输出结果看,这几个错误都找了出来。

     

    2.Callgrind

        和gprof类似的分析工具,但它对程序的运行观察更是入微,能给我们提供更多的信息。和gprof不同,它不需要在编译源代码时附加特殊选项,但加上调试选项是推荐的。Callgrind收集程序运行时的一些数据,建立函数调用关系图,还可以有选择地进行cache模拟。在运行结束时,它会把分析数据写入一个文件。callgrind_annotate可以把这个文件的内容转化成可读的形式。

    生成可视化的图形需要下载gprof2dot:http://jrfonseca.googlecode.com/svn/trunk/gprof2dot/gprof2dot.py

    这是个python脚本,把它下载之后修改其权限chmod +7 gprof2dot.py ,并把这个脚本添加到$PATH路径中的任一文件夹下,我是将它放到了/usr/bin目录下,这样就可以直接在终端下执行gprof2dot.py了。

       Callgrind可以生成程序性能分析的图形,首先来说说程序性能分析的工具吧,通常可以使用gnu自带的gprof,它的使用方法是:在编译程序时添加-pg参数,例如:

    #include <stdio.h>
    #include <malloc.h>
    void test()
    {
        sleep(1);
    }
    void f()
    {
        int i;
        for( i = 0; i < 5; i ++)
            test();
    }
    int main()
    {
        f();
        printf("process is over!
    ");
        return 0;
    }
    

     

    首先执行 gcc -pg -o tmp tmp.c,然后运行该程序./tmp,程序运行完成后会在当前目录下生成gmon.out文件(这个文件gprof在分析程序时需要),
    再执行gprof ./tmp | gprof2dot.py |dot -Tpng -o report.png,打开report.png结果:

     


    显示test被调用了5次,程序中耗时所占百分比最多的是test函数。

    再来看 Callgrind的生成调用图过程吧,执行:valgrind --tool=callgrind ./tmp,执行完成后在目录下生成"callgrind.out.XXX"的文件这是分析文件,可以直接利用:callgrind_annotate callgrind.out.XXX 打印结果,也可以使用:gprof2dot.py -f callgrind callgrind.out.XXX |dot -Tpng -o report.png 来生成图形化结果:

     

     

    它生成的结果非常详细,甚至连函数入口,及库函数调用都标识出来了。

     

    3.Cachegrind

           Cache分析器,它模拟CPU中的一级缓存I1,Dl和二级缓存,能够精确地指出程序中cache的丢失和命中。如果需要,它还能够为我们提供cache丢失次数,内存引用次数,以及每行代码,每个函数,每个模块,整个程序产生的指令数。这对优化程序有很大的帮助。

        作一下广告:valgrind自身利用该工具在过去几个月内使性能提高了25%-30%。据早先报道,kde的开发team也对valgrind在提高kde性能方面的帮助表示感谢。

    它的使用方法也是:valgrind --tool=cachegrind 程序名,

    4.Helgrind

        它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。Helgrind寻找内存中被多个线程访问,而又没有一贯加锁的区域,这些区域往往是线程之间失去同步的地方,而且会导致难以发掘的错误。Helgrind实现了名为“Eraser”的竞争检测算法,并做了进一步改进,减少了报告错误的次数。不过,Helgrind仍然处于实验阶段。

    首先举一个竞态的例子吧:

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #define NLOOP 50
    int counter = 0; /* incremented by threads */
    void *threadfn(void *);
     
    int main(int argc, char **argv)
    {
        pthread_t tid1, tid2,tid3;
     
     
        pthread_create(&tid1, NULL, &threadfn, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, &threadfn, NULL);
        pthread_create(&tid3, NULL, &threadfn, NULL);
     
     
        /* wait for both threads to terminate */
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
        pthread_join(tid3, NULL);
     
     
        return 0;
    }
     
    void *threadfn(void *vptr)
    {
          int i, val;
          for (i = 0; i < NLOOP; i++) {
        val = counter;
        printf("%x: %d 
    ", (unsigned int)pthread_self(),  val+1);
        counter = val+1;
          }
          return NULL;
    }

    这段程序的竞态在30~32行,我们想要的效果是3个线程分别对全局变量累加50次,最后全局变量的值为150,由于这里没有加锁,很明显竞态使得程序不能达到我们的目标。我们来看Helgrind是如何帮我们检测到竞态的。先编译程序:gcc -o test thread.c -lpthread ,然后执行:valgrind --tool=helgrind ./test 输出结果如下:
    49c0b70: 1
    49c0b70: 2
    ==4666== Thread #3 was created
    ==4666==    at 0x412E9D8: clone (clone.S:111)
    ==4666==    by 0x40494B5: pthread_create@@GLIBC_2.1 (createthread.c:256)
    ==4666==    by 0x4026E2D: pthread_create_WRK (hg_intercepts.c:257)
    ==4666==    by 0x4026F8B: pthread_create@* (hg_intercepts.c:288)
    ==4666==    by 0x8048524: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
    ==4666==
    ==4666== Thread #2 was created
    ==4666==    at 0x412E9D8: clone (clone.S:111)
    ==4666==    by 0x40494B5: pthread_create@@GLIBC_2.1 (createthread.c:256)
    ==4666==    by 0x4026E2D: pthread_create_WRK (hg_intercepts.c:257)
    ==4666==    by 0x4026F8B: pthread_create@* (hg_intercepts.c:288)
    ==4666==    by 0x8048500: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
    ==4666==
    ==4666== Possible data race during read of size 4 at 0x804a028 by thread #3
    ==4666==    at 0x804859C: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
    ==4666==    by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
    ==4666==    by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
    ==4666==    by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
    ==4666==  This conflicts with a previous write of size 4 by thread #2
    ==4666==    at 0x80485CA: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
    ==4666==    by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
    ==4666==    by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
    ==4666==    by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
    ==4666==
    ==4666== Possible data race during write of size 4 at 0x804a028 by thread #2
    ==4666==    at 0x80485CA: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
    ==4666==    by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
    ==4666==    by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
    ==4666==    by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
    ==4666==  This conflicts with a previous read of size 4 by thread #3
    ==4666==    at 0x804859C: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
    ==4666==    by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
    ==4666==    by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
    ==4666==    by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
    ==4666==
    49c0b70: 3
    ......
    55c1b70: 51
    ==4666==
    ==4666== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
    ==4666== Use --history-level=approx or =none to gain increased speed, at
    ==4666== the cost of reduced accuracy of conflicting-access information
    ==4666== ERROR SUMMARY: 8 errors from 2 contexts (suppressed: 99 from 31)

    helgrind成功的找到了竞态的所在位置,标红所示。
    5. Massif

        堆栈分析器,它能测量程序在堆栈中使用了多少内存,告诉我们堆块,堆管理块和栈的大小。Massif能帮助我们减少内存的使用,在带有虚拟内存的现代系统中,它还能够加速我们程序的运行,减少程序停留在交换区中的几率。

           Massif对内存的分配和释放做profile。程序开发者通过它可以深入了解程序的内存使用行为,从而对内存使用进行优化。这个功能对C++尤其有用,因为C++有很多隐藏的内存分配和释放。

    此外,lackey和nulgrind也会提供。Lackey是小型工具,很少用到;Nulgrind只是为开发者展示如何创建一个工具。我们就不做介绍了。

    三 使用Valgrind

           Valgrind使用起来非常简单,你甚至不需要重新编译你的程序就可以用它。当然如果要达到最好的效果,获得最准确的信息,还是需要按要求重新编译一下的。比如在使用memcheck的时候,最好关闭优化选项。

           valgrind命令的格式如下:

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

    一些常用的选项如下:

    选项

    作用

    -h --help

    显示帮助信息。

    --version

    显示valgrind内核的版本,每个工具都有各自的版本。

    -q --quiet

    安静地运行,只打印错误信息。

    -v --verbose

    打印更详细的信息。

    --tool=<toolname> [default: memcheck]

    最常用的选项。运行valgrind中名为toolname的工具。如果省略工具名,默认运行memcheck。

    --db-attach=<yes|no> [default: no]

    绑定到调试器上,便于调试错误。

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  • 原文:https://www.cnblogs.com/kex1n/p/11573526.html
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