內存使用分析工具Valgrind簡單用法

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Valgrind的主要作者Julian Seward剛獲得了今年的Google-O'Reilly開源大獎之一──Best Tool Maker。讓我們一起來看一下他的作品。Valgrind是運行在Linux上一套基于仿真技術的程序調試和分析工具，它包含一個內核──一個軟件合成 的CPU，和一系列的小工具，每個工具都可以完成一項任務──調試，分析，或測試等。Valgrind可以檢測內存泄漏和內存違例，還可以分析cache 的使用等，靈活輕巧而又強大，能直穿程序錯誤的心臟，真可謂是程序員的瑞士軍刀。
一. Valgrind概觀
Valgrind的最新版是3.2.0，它一般包含下列工具：
1.Memcheck
最常用的工具，用來檢測程序中出現的內存問題，所有對內存的讀寫都會被檢測到，一切對malloc()/free()/new/delete的調用都會被捕獲。所以，它能檢測以下問題：
1.對未初始化內存的使用；
2.讀/寫釋放后的內存塊；
3.讀/寫超出malloc分配的內存塊；
4.讀/寫不適當的棧中內存塊；
5.內存泄漏，指向一塊內存的指針永遠丟失；
6.不正確的malloc/free或new/delete匹配；
7,memcpy()相關函數中的dst和src指針重疊。
這些問題往往是C/C++程序員最頭疼的問題，Memcheck在這里幫上了大忙。
2.Callgrind
和 gprof類似的分析工具，但它對程序的運行觀察更是入微，能給我們提供更多的信息。和gprof不同，它不需要在編譯源代碼時附加特殊選項，但加上調試 選項是推薦的。Callgrind收集程序運行時的一些數據，建立函數調用關系圖，還可以有選擇地進行cache模擬。在運行結束時，它會把分析數據寫入 一個文件。callgrind_annotate可以把這個文件的內容轉化成可讀的形式。
3.Cachegrind
Cache分析器，它模擬CPU中的一級緩存I1，Dl和二級緩存，能夠精確地指出程序中cache的丟失和命中。如果需要，它還能夠為我們提供cache丟失次數，內存引用次數，以及每行代碼，每個函數，每個模塊，整個程序產生的指令數。這對優化程序有很大的幫助。
4.Helgrind
它 主要用來檢查多線程程序中出現的競爭問題。Helgrind尋找內存中被多個線程訪問，而又沒有一貫加鎖的區域，這些區域往往是線程之間失去同步的地方， 而且會導致難以發掘的錯誤。Helgrind實現了名為“Eraser”的競爭檢測算法，并做了進一步改進，減少了報告錯誤的次數。不 過，Helgrind仍然處于實驗階段。
5. Massif
堆棧分析器，它能測量程序在堆棧中使用了多少內存，告訴我們堆塊，堆管理塊和棧的大小。Massif能幫助我們減少內存的使用，在帶有虛擬內存的現代系統中，它還能夠加速我們程序的運行，減少程序停留在交換區中的幾率。
此外，lackey和nulgrind也會提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是為開發者展示如何創建一個工具。我們就不做介紹了。
二. 使用Valgrind
Valgrind的使用非常簡單，valgrind命令的格式如下：
valgrind [valgrind-options] your-prog [your-prog options]
一些常用的選項如下：
選項
作用
-h --help
顯示幫助信息。
--version
顯示valgrind內核的版本，每個工具都有各自的版本。
-q --quiet
安靜地運行，只打印錯誤信息。
-v --verbose
打印更詳細的信息。
--tool= [default: memcheck]
最常用的選項。運行valgrind中名為toolname的工具。如果省略工具名，默認運行memcheck。
--db-attach= [default: no]
綁定到調試器上，便于調試錯誤。
我們通過例子看一下它的具體使用。我們構造一個存在內存泄漏的C程序，如下：
#include
#include
void f(void)
{
int* x = malloc(10 * sizeof(int));
x[10] = 0; // problem 1: heap block overrun
} // problem 2: memory leak -- x not freed
int main(void)
{
int i;
f();
printf("i=%d/n",i); //problem 3: use uninitialised value.
return 0;
}
保存為memleak.c并編譯，然后用valgrind檢測。
$ gcc -Wall -o memleak memleak.c
$ valgrind --tool=memcheck ./memleak
我們得到如下錯誤信息：
==3649== Invalid write of size 4
==3649== at 0x80483CF: f (in /home/wangcong/memleak)
==3649== by 0x80483EC: main (in /home/wangcong/memleak)
==3649== Address 0x4024050 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd
==3649== at 0x40051F9: malloc (vg_replace_malloc.c:149)
==3649== by 0x80483C5: f (in /home/wangcong/memleak)
==3649== by 0x80483EC: main (in /home/wangcong/memleak)
前面的3649是程序運行時的進程號。第一行是告訴我們錯誤類型，這里是非法寫入。下面的是告訴我們錯誤發生的位置，在main()調用的f()函數中。
==3649== Use of uninitialised value of size 4
==3649== at 0xC3A264: _itoa_word (in /lib/libc-2.4.so)
==3649== by 0xC3E25C: vfprintf (in /lib/libc-2.4.so)
==3649== by 0xC442B6: printf (in /lib/libc-2.4.so)
==3649== by 0x80483FF: main (in /home/wangcong/memleak)
這 個錯誤是使用未初始化的值，在main()調用的printf()函數中。這里的函數調用關系是通過堆棧跟蹤的，所以有時會非常多，尤其是當你使用C++ 的STL時。其它一些錯誤都是由于把未初始化的值傳遞給libc函數而被檢測到。在程序運行結束后，valgrind還給出了一個小的總結：
==3649== ERROR SUMMARY: 20 errors from 6 contexts (suppressed: 12 from 1)
==3649== malloc/free: in use at exit: 40 bytes in 1 blocks.
==3649== malloc/free: 1 allocs, 0 frees, 40 bytes allocated.
==3649== For counts of detected errors, rerun with: -v
==3649== searching for pointers to 1 not-freed blocks.
==3649== checked 47,256 bytes.
==3649==
==3649== LEAK SUMMARY:
==3649== definitely lost: 40 bytes in 1 blocks.
==3649== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks.
==3649== still reachable: 0 bytes in 0 blocks.
==3649== suppressed: 0 bytes in 0 blocks.
==3649== Use --leak-check=full to see details of leaked memory.
我們可以很清楚地看出，分配和釋放了多少內存，有多少內存泄漏。這對我們查找內存泄漏十分方便。然后我們重新編譯程序并綁定調試器：
$ gcc -Wall -ggdb -o memleak memleak.c
$ valgrind --db-attach=yes --tool=memcheck ./memleak
一出現錯誤，valgrind會自動啟動調試器（一般是gdb）：
==3893== ---- Attach to debugger ? --- [Return/N/n/Y/y/C/c] ---- y
starting debugger
==3893== starting debugger with cmd: /usr/bin/gdb -nw /proc/3895/fd/1014 3895
退出gdb后我們又能回到valgrind繼續執行程序。
還是用上面的程序，我們使用callgrind來分析一下它的效率：
$ valgrind --tool=callgrind ./memleak
Callgrind會輸出很多，而且最后在當前目錄下生成一個文件： callgrind.out.pid。用callgrind_annotate來查看它：
$ callgrind_annotate callgrind.out.3949
詳細的信息就列出來了。而且，當callgrind運行你的程序時，你還可以使用callgrind_control來觀察程序的執行，而且不會干擾它的運行。
再來看一下cachegrind的表現：
$ valgrind --tool=cachegrind ./memleak
得到如下信息：
==4073== I refs: 147,500
==4073== I1 misses: 1,189
==4073== L2i misses: 679
==4073== I1 miss rate: 0.80%
==4073== L2i miss rate: 0.46%
==4073==
==4073== D refs: 61,920 (46,126 rd + 15,794 wr)
==4073== D1 misses: 1,759 ( 1,545 rd + 214 wr)
==4073== L2d misses: 1,241 ( 1,062 rd + 179 wr)
==4073== D1 miss rate: 2.8% ( 3.3% + 1.3% )
==4073== L2d miss rate: 2.0% ( 2.3% + 1.1% )
==4073==
==4073== L2 refs: 2,948 ( 2,734 rd + 214 wr)
==4073== L2 misses: 1,920 ( 1,741 rd + 179 wr)
==4073== L2 miss rate: 0.9% ( 0.8% + 1.1% )
上面的是指令緩存，I1和L2i緩存，的訪問信息，包括總的訪問次數，丟失次數，丟失率。
中 間的是數據緩存，D1和L2d緩存，的訪問的相關信息，下面的L2緩存單獨的信息。Cachegrind也生成一個文件，名為 cachegrind.out.pid，可以通過cg_annotate來讀取。輸出是一個更詳細的列表。Massif的使用和cachegrind類 似，不過它也會生成一個名為massif.pid.ps的PostScript文件，里面只有一幅描述堆棧使用狀況的彩圖。
以上只是簡單的演示了valgrind的使用，更多的信息可以在它附帶的文檔中得到，也可以訪問valgrind的主頁：http://www.valgrind.org。學會正確合理地使用valgrind對于調試程序會有很大的幫助