程序员经验分享-hwhale

valgrind

2023-10-26

http://blog.csdn.net/yanghao23/article/details/7514587

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：

[plain]  view plain copy
  1. #include <stdlib.h>  
  2. #include <malloc.h>  
  3. #include <string.h>  
  4.   
  5. void test()  
  6. {  
  7.     int *ptr = malloc(sizeof(int)*10);  
  8.   
  9.     ptr[10] = 7; // 内存越界  
  10.   
  11.     memcpy(ptr +1, ptr, 5); // 踩内存  
  12.   
  13.   
  14.     free(ptr);   
  15.     free(ptr);// 重复释放  
  16.   
  17.     int *p1;  
  18.     *p1 = 1; // 非法指针  
  19. }  
  20.   
  21. int main(void)  
  22. {  
  23.     test();  
  24.     return 0;  
  25. }  
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：

[plain]  view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <malloc.h>  
  3. void test()  
  4. {  
  5.     sleep(1);  
  6. }  
  7. void f()  
  8. {  
  9.     int i;  
  10.     for( i = 0; i < 5; i ++)  
  11.         test();  
  12. }  
  13. int main()  
  14. {  
  15.     f();  
  16.     printf("process is over!\n");  
  17.     return 0;  
  18. }  
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：

[plain]  view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <pthread.h>  
  3. #define NLOOP 50  
  4. int counter = 0; /* incremented by threads */  
  5. void *threadfn(void *);  
  6.   
  7. int main(int argc, char **argv)  
  8. {  
  9.     pthread_t tid1, tid2,tid3;  
  10.   
  11.   
  12.     pthread_create(&tid1, NULL, &threadfn, NULL);  
  13.     pthread_create(&tid2, NULL, &threadfn, NULL);  
  14.     pthread_create(&tid3, NULL, &threadfn, NULL);  
  15.   
  16.   
  17.     /* wait for both threads to terminate */  
  18.     pthread_join(tid1, NULL);  
  19.     pthread_join(tid2, NULL);  
  20.     pthread_join(tid3, NULL);  
  21.   
  22.   
  23.     return 0;  
  24. }  
  25.   
  26. void *threadfn(void *vptr)  
  27. {  
  28.       int i, val;  
  29.       for (i = 0; i < NLOOP; i++) {  
  30.     val = counter;  
  31.     printf("%x: %d \n", (unsigned int)pthread_self(),  val+1);  
  32.     counter = val+1;  
  33.       }  
  34.       return NULL;  
  35. }  

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]

valgrind --tool=massif --stacks=yes ./test

(这个工具有个bug, 只有程序中出现new或者malloc之类的堆操作，才会统计栈的使用，否则只统计堆的使用)

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。

本文部分参考http://www.cnblogs.com/wangkangluo1/archive/2011/07/20/2111248.html

本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)

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