valgrind基本功能介绍、基础使用方法说明
valgrind基本功能介绍、基础使用方法说明_valgrind使用方法_HNU Latecomer的博客-CSDN博客
拷贝效果不好,请看原文。
1、Valgrind概述
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。
2、工具下载安装
参考地址:https://www.valgrind.org/downloads/
安装:
1、tar –xf valgrind-3.17.0.tar.bz2
2、cd valgrind-3.17.0
3、./configure // 运行配置脚本生成makefile文件,可以--help查看配置项,自行按需配置,比如修改编译工具、修改安装路径等
4、make
5、make install //安装生成可执行文件,可执行文件的路径有参数--prefix指定,需要在PATH中添加环境变量;若不加参数--prefix指定,仅使用默认配置,则会自动关联
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安装完后可以使用:
valgrind --help查看使用方法
3、使用基本选项
3.1 基本工具介绍
(1)Memcheck。这是valgrind应用最广泛的工具,一个重量级的内存检查器,能够发现开发中绝大多数内存错误使用情况,比如:使用未初始化的内存,使用已经释放了的内存,内存访问越界等。这也是本文将重点介绍的部分。
(2)Callgrind。它主要用来检查程序中函数调用过程中出现的问题。
(3)Cachegrind。它主要用来检查程序中缓存使用出现的问题。
(4)Helgrind。它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。
(5)Massif。它主要用来检查程序中堆栈使用中出现的问题。
(6)Extension。可以利用core提供的功能,自己编写特定的内存调试工具
3.2 常用选项
(1)适用于所有Valgrind工具
–tool=< name > 最常用的选项。运行 valgrind中名为toolname的工具。默认memcheck。
-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 更详细的信息, 增加错误数统计。
–trace-children=no|yes 跟踪子线程? [no]
–track-fds=no|yes 跟踪打开的文件描述?[no]
–time-stamp=no|yes 增加时间戳到LOG信息? [no]
–log-fd=< number > 输出LOG到描述符文件 [2=stderr]
–log-file=< file > 将输出的信息写入到filename.PID的文件里,PID是运行程序的进行ID
–log-file-exactly=< file > 输出LOG信息到 file
–log-file-qualifier=< VAR > 取得环境变量的值来做为输出信息的文件名。 [none]
–log-socket=ipaddr:port 输出LOG到socket ,ipaddr:port
(2)LOG信息输出
–xml=yes 将信息以xml格式输出,只有memcheck可用
–num-callers=< number > show < numbe r> callers in stack traces [12]
–error-limit=no|yes 如果太多错误,则停止显示新错误? [yes]
–error-exitcode=< number > 如果发现错误则返回错误代码 [0=disable]
–db-attach=no|yes 当出现错误,valgrind会自动启动调试器gdb。[no]
–db-command=< command > 启动调试器的命令行选项[gdb -nw %f %p]
(3)适用于Memcheck工具的相关选项:
–leak-check=no|summary|full 要求对leak给出详细信息? [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]
更详细的使用信息详见帮助文件、man手册或官网:http://valgrind.org/docs/manual/manual-core.html
(4)注意:
① valgrind不会自动的检查程序的每一行代码,只会检查运行到的代码分支,所以单元测试或功能测试用例很重要;
② 可以把valgrind看成是一个sandbox,通过valgrind运行的程序实际上是运行在valgrind的sandbox中的,所以,不要测试性能,会让你失望的,建议只做功能测试
③ 编译代码时,建议增加-g -o0选项,不要使用-o1、-o2选项
3.3 常用选项示例
–tool=< name > : use the Valgrind tool named < name > [memcheck]
–log-file=< file > : log messages to < file >
示例:
valgrind --tool=memcheck --log-file=log.txt --leak-check=yes ./test
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说明:使用memcheck工具对test程序进行包含内存泄漏的检查,并将日志保存到log.txt
4、Memcheck工具介绍
Memcheck是valgrind应用最广泛的工具,能够发现开发中绝大多数内存错误使用情况。此工具主要可检查以下错误
(1) 使用未初始化的内存(Use of uninitialised memory)
(2) 使用已经释放了的内存(Reading/writing memory after it has been free’d)
(3) 使用超过malloc分配的内存空间(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)
(4) 对堆栈的非法访问(Reading/writing inappropriate areas on the stack)
(5) 申请的空间是否有释放(Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)
(6) malloc/free/new/delete申请和释放内存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])
(7) src和dst的重叠(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)
#include<iostream>
int main()
{
int *pInt;
std::cout<<"使用未初始化的内存";
int a=*pInt; //使用未初始化的内存
}
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#include<iostream>
int main()
{
int *pArray=(int *)malloc(sizeof(int) *5);
std::cout<<"使用已经释放了的内存";
free(pArray);
pArray[0]=0; //使用已经释放了的内存
}
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#include<iostream>
int main()
{
int *pArray=(int *)malloc(sizeof(int) *5);
std::cout<<"使用超过malloc分配的内存空间";
pArray[5]=5; //使用超过malloc分配的内存空间
free(pArray);
}
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#include<iostream>
int main()
{
int *pArray=(int *)malloc(sizeof(int) *5);
std::cout<<"malloc缺少free";
}
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#include<iostream>
int main()
{
char a[10];
for (char c=0; c < sizeof(a); c++)
{
a[c]=c;
}
std::cout<<"拷贝的src和dst存在重叠";
memcpy(&a[4],&a[0],6);
}
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注:程序有时会申请很多常驻节点,这些未释放的节点不应视为问题;
一般随着程序的运行,导致节点单向增加的malloc或new操作,视为内存泄漏
4.1 示例1:
源码:
#include<iostream>
int main()
{
int *pArray=(int *)malloc(sizeof(int) *5);
std::cout<<"使用超过malloc分配的内存空间";
pArray[5]=5; //使用超过malloc分配的内存空间
free(pArray);
}
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编译:
g++ test1.cpp -g -o test1_g //-g:让 memcheck 工具可以取到出错的具体行号
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调试:
valgrind --leak-check=yes --log-file=1_g ./test1_g
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生成日志文件1_g:
(1)当前程序(./test1_g)的进程号
(2)valgrind memcheck工具的license说明
(3)加载程序的运行方式
(4)父进程号,当前终端的进程
(5)检测到的错误信息
(6)堆栈摘要、小结,该例子中总共两次alloc、两次free,没有内存泄漏
(7)检测到的错误数量,这里提示1个
4.2 示例2
#include<iostream>
int main()
{
int *pArray=(int *)malloc(sizeof(int) *5);
std::cout<<"使用已经释放了的内存";
free(pArray);
pArray[0]=0; //使用已经释放了的内存
}
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编译:
g++ test7.cpp -g -o test7_g //-g:让 memcheck 工具可以取到出错的具体行号
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调试:
valgrind --leak-check=yes --log-file=7_g ./test7_g
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生成日志文件7_g:
(1)因为还是使用同一个终端,所以父进程还是8248
(2)有两个非法的读、写错误
编译:
g++ test7.cpp -g -o test2_g_O2 -O2
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调试:
valgrind --leak-check=yes --log-file=7_g_O2 ./test7_g_O2
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生成日志文件7_g_O2:
可以看到同样的程序,在加上-O2之后,pArray[0]=0;语句被优化掉了,所以没有被检测出来。
为了做到更严格的检测,编译时需要保证编译器没有做优化,即优化等级为-O0,gcc、g++默认就是采用-O0的,但是大部分实际设计都会在Makefile中添加-O1或者-O2参数,所以最好还是检查下。
4.3 Memcheck 报告输出文档整体格式总结
copyright 版权声明
异常读写报告
(1)主线程异常读写
线程A异常读写报告
线程B异常读写报告
(2) 其他线程
(3)堆内存泄露报告
堆内存使用情况概述(HEAP SUMMARY)
确信的内存泄露报告(definitely lost)
可疑内存操作报告 (show-reachable=no关闭,打开:–show-reachable=yes)
泄露情况概述(LEAK SUMMARY)
4.4 Memcheck 日志报告的基本格式
{问题描述}
at {地址、函数名、模块或代码行}
by {地址、函数名、代码行}
by …{逐层依次显示调用堆栈}
Address 0x??? {描述地址的相对关系}
4.5 memcheck包含的7类错误
(1)illegal read/illegal write errors
提示信息:[invalid read of size 4]
(2)use of uninitialised values
提示信息:[Conditional jump or move depends on uninitialised value]
(3)use of uninitialised or unaddressable values in system calls
提示信息:[syscall param write(buf) points to uninitilaised bytes]
(4)illegal frees
提示信息:[invalid free()]
(5)when a heap block is freed with an inappropriate deallocation function
提示信息:[Mismatched free()/delete/delete[]]
(6)overlapping source and destination blocks
提示信息:[source and destination overlap in memcpy(,)]
(7)memory leak detection
① still reachable
内存指针还在还有机会使用或释放,指针指向的动态内存还没有被释放就退出了
② definitely lost
确定的内存泄露,已经不能访问这块内存
③ indirectly lost
指向该内存的指针都位于内存泄露处
④ possibly lost
可能的内存泄露,仍然存在某个指针能够快速访问某块内存,但该指针指向的已经不是内存首位置
4.6 memcheck工具原理
Memcheck实现了一个仿真的CPU,被监控的程序被这个仿真CPU解释执行,该仿真CPU可以在所有的内存读写指令发生时,检测地址的合法性和读操作的合法性。
Memcheck 能够检测出内存问题,关键在于其建立了两个全局表。
(1)Valid-Value 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。
(2)Valid-Address 表
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:
当要读写内存中某个字节时,首先检查这个字节对应的A bit。如果该A bit显示该位置是无效位置,memcheck 则报告读写错误。
内核(core)类似于一个虚拟的CPU 环境,这样当内存中的某个字节被加载到真实的CPU 中时,该字节对应的V bit 也被加载到虚拟的CPU 环境中。一旦寄存器中的值,被用来产生内存地址,或者该值能够影响程序输出,则memcheck 会检查对应的V bits,如果该值尚未初始化,则会报告使用未初始化内存错误。
简单来说:
(1)如何知道那些地址是合法的(内存已分配)?
维护一张合法地址表(Valid-address (A) bits),当前所有可以合法读写(已分配)的地址在其中有对应的表项。该表通过以下措施维护:
① 全局数据(data, bss section)–在程序启动的时候标记为合法地址
② 局部变量–监控sp(stack pointer)的变化,动态维护
③动态分配的内存–截获 分配/释放 内存的调用:malloc, calloc, realloc, valloc, memalign, free, new, new[], delete and delete[]
④ 系统调用–截获mmap映射的地址
⑤ 其他–可以显示知会memcheck某地字段是合法的
(2)如何知道某内存是否已经被赋值?
① 维护一张合法值表(Valid-value (V) bits),指示对应的bit是否已经被赋值。因为虚拟CPU可以捕获所有对内存的写指令,所以这张表很容易维护。
5、Callgrind工具介绍
Callgrind性能分析工具,它不需要在编译源码时附加特殊选项。Callgrind使用cachegrind的统计信息Ir(I cache reads,即一条指令执行的次数)来统计程序中函数的调用情况,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。
5.1 Callgrind文本分析基本操作
示例:
(1)cd linux/bin
(2)valgrind --tool=callgrind ./Devtest
生成一个文件:callgrind.out.27439
或者
valgrind --tool=callgrind --separate-threads=yes ./Devtest
生成三个文件:callgrind.out.1234(为空),callgrind.out.1234-01(线程1),callgrind.out.1234-02(线程2)
(3)callgrind_annotate callgrind.out.27439 > log
callgrind_annotate是可以将callgrind.out.pid文件的内容转化为可读的形式,并重定向到log文件,分别打开callgrind.out.pid、log文件,你会发现它们的不同(callgrind.out.pid是人类不便于直接理解的格式,callgrind_annotate相当于一个翻译,将callgrind.out.pid按照我们喜欢的方式展现出来
)。
callgrind_annotate解析callgrind.out.pid而生成的log文件,打开后内容如下:
可以看到每个函数所属的动态库,该函数调用所耗费的指令数,默认是从大到小排序的。
callgrind_annotate 还有几个可选参数:
① --inclusive=yes:不但分别统计每个语句的执行次数,还把调用关系计算进入,比如函数foo调用了bar,那么foo的代价中会加入bar的代价。
② --tree=both:显示调用关系。
③ --auto=yes:会自动将统计信息和源码关联。就是会显示每个函数的源码,并且在前面显示每条语句的运行代价
(4)可以对单独的文件进行关联:
callgrind_annotate callgrind.out.9441 main.c | grep -v “???”
注:“???”前缀的调用,都是系统库底层调用,不重要,可用grep -v过滤掉
5.2 Callgrind流程图分析基本操作
以工程右图“官网提供的示例代码”为例,会比较直观:
(1)gcc –g test.c -o test
(2)valgrind --tool=callgrind ./test
生成一个文件:callgrind.out.pid
(3)python gprof2dot.py -f callgrind -n10 -s callgrind.out.[pid] > valgrind.dot
(4)dot -Tpng valgrind.dot -o valgrind.png
(5)打开图片打开,据说能一目了然的知道运行时间消耗的分布
6、Cachegrind工具介绍
6.1 基本介绍
(1)Cachegrind基于Valgrind的剖析器(profiler)计算机系统变得越来越复杂,剖析存储系统往往是系统瓶颈,需要剖析Cache
(2)功能
① 模拟L1、L2 Cache
② 剖析Cache行为,执行次数、失效率等
③ 按照文件、函数、代码行、汇编指令剖析
(3)作用
① 详细Cache剖析,发现程序瓶颈
② 指令改进程序,提高执行效率
③ Trace驱动的Cache模拟器
(4)优点
① 容易使用,不需要重新编译
② 剖析所有执行的代码,包括库
③ 不限定语言
④ 速度相对较快
⑤ 灵活,模拟不同配置的Cache
6.2 使用步骤
(1)valgrind --tool=cachegrind ./test
同时生成文件cachegrind.out.pid
(2)callgrind_annotate cachegrind.out.4599 | grep -v “???”
和callgrind一样,也可以通过callgrind_annotate翻译为可读信息。从中可以看到
I1 cache(指令缓存)、D1 cache(数据缓存)、LL cache(公共的二级缓存)的命中情况。
7、Massif工具介绍
Massif是一个内存剖析工具。通过不断的取程序堆的快照来达到监视程序内存分配的目的。
7.1 示例
(1)g++ test.cc -o test
(2)valgrind --tool=massif ./test 就得到一个massif文件:massif.out.pid
(3)使用ms_print来解析这个输出文件:ms_print massif.out.pid
(4)通过图形快照看出堆栈的内存变化情况:
8、Helgrind工具介绍
Helgrind是Valgrind的一个重点功能 本节主要针对与多线程基本安全问题进行检测。
① 资源不安全访问
② 死锁问题
③ POSIX pthreads API的错误使用
④ 在前面几个基础上都能安全无误的情况下 多于多线程程序就是要能够能好将同步块尽量缩到最小
8.1 Helgrind 资源不安全访问
解决问题:
问题1: 调用Helgrind能够很好的解决掉,以右边基本程序为例
#include <pthread.h>
int var = 0;
void* child_fn (void* arg)
{
var++;
return NULL;
}
int main (void)
{
pthread_t child;
pthread_t child2;
pthread_create(&child,NULL, child_fn, NULL);
pthread_create(&child2,NULL,child_fn,NULL);
pthread_join(child,NULL);
pthread_join(child2,NULL);
return 0;
}
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明显var是共享的 不安全访问,调用Helgrind看看怎么能够检测出来:
gcc -g test.c -o test –lpthread
valgrind --tool=helgrind ./test
运行helgrind之后会生成如下结果,从信息提示中可以看到有两个错误,对val全局变量的抢占使用
问题2:
死锁问题是尽量避免,helgrind可以检测出加锁解锁顺序出现问题导致的死锁问题,这个问题我们可以好好看下:https://blog.csdn.net/sfwtoms11/article/details/38438253
再看下连续加2次锁的情况
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mut_thread;
int var = 0;
void* child_fn ( void* arg )
{
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
var++;
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
return NULL;
}
int main ( void )
{
pthread_t child;
pthread_t child2;
pthread_mutex_init(&mut_thread,NULL);
pthread_create(&child,NULL, child_fn, NULL);
pthread_create(&child2,NULL,child_fn,NULL);
pthread_join(child,NULL);
pthread_join(child2,NULL);
return 0;
}
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mutex加解锁顺序导致的问题:
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mut_thread;
pthread_mutex_t mut_thread1;
int var = 0;
void* child_fn ( void* arg ) {
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
pthread_mutex_lock(&mut_thread1);
var++;
pthread_mutex_unlock(&mut_thread);
pthread_mutex_unlock(&mut_thread1);
return NULL;
}
void* child_fn1(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mut_thread1);
pthread_mutex_lock(&mut_thread);
var++;
pthread_mutex_unlock(&mut_thread1);
pthread_mutex_unlock(&mut_thread);
return NULL;
}
int main ( void ) {
pthread_t child;
pthread_t child2;
pthread_mutex_init(&mut_thread,NULL);
pthread_mutex_init(&mut_thread1,NULL);
pthread_create(&child,NULL, child_fn, NULL);
pthread_create(&child2,NULL,child_fn1,NULL);
pthread_join(child,NULL);
pthread_join(child2,NULL);
return 0;
}文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-471441.html
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