【代码调试】如何使用Valgrind检测内存泄漏

1 前言

  C/C++相比其他高级编程语言，具有指针的概念，指针即是内存地址。C/C++可以通过指针来直接访问内存空间，效率上的提升是不言而喻的，是其他高级编程语言不可比拟的；比如访问内存一段数据，通过指针可以直接从内存空间读取数据，避免了中间过程函数压栈、数据拷贝甚至消息传输等待。指针是C/C++的优势，但也是一个隐患，指针是一把双刃剑，由于内存交给了程序员管理，这是存在隐患的；人嘛总会有疏忽的时候，如果申请了内存，一个疏忽忘记释放了，未释放的内存将不能被系统再申请使用，即是一直占用又不能使用，俗称内存泄露；久而久之，系统长时间运行后将申请不到内存，系统上所有任务执行失败，只能重启系统。内存交给了程序员管理，除了内存泄露的情况外，还可能引起其他的问题，总结起来包括如下几点。

• 访问没有申请内存的空指针（空指针）
• 访问已释放内存的指针（野指针）
• 内存越界访问
• 内存泄露，申请了内存没有释放
• 重复释放内存

  虽然动态内存（这里默认指的是堆上的动态内存，由程序员管理；栈上的动态内存由系统管理）存在一定的隐患，可靠性取决于程序员的认真和细心，但因为其具有优良的灵活性和高效率以及内存复用，在实际应用中，对于一些动态数据交互场合，动态内存往往是首选。因此，一方面除了程序员本身的谨慎使用，另一方面也涌现出各类“内存异常“的检测工具，毕竟当代码量数以万计时，依靠人力去检查是不切实际的。

2 常用内存检测工具

  虽然动态内存存在隐患，但有时候又不得不使用，内存泄露也就成为一个必须杜绝的敏感问题；有需求就会有相应的解决方法，目前已存在许多优秀的内存泄露检测工具，除了我们常用的Valgrind外，还有mtrace、dmalloc、memwatch等优秀工具。

工具	描述
valgrind	一个强大开源的程序检测工具集合
mtrace	GNU扩展, 用来跟踪malloc, mtrace为内存分配函数（malloc, realloc, memalign, free）安装hook函数
dmalloc	用于检查C/C++内存泄露(leak)的工具，即检查是否存在直到程序运行结束还没有释放的内存,以一个运行库的方式发布
memwatch	和dmalloc一样，它能检测未释放的内存、同一段内存被释放多次、位址存取错误及不当使用未分配之内存区域
mpatrol	一个跨平台的 C++ 内存泄漏检测器
dbgmem
Electric Fence

3 Valgrind工具

  Valgrind是一款基于linux平台开源的内存检测工具集合，功能强大，使用广泛。利用Valgrind工具，在检测出文章开头提及的动态内存隐患，即是Valgrind工具中的内存检测组件Memcheck， Memcheck支持的功能包括：

• 使用空指针
• 使用野指针
• 内存空间访问越界
• 内存空间未释放
• 内存空间重复释放
• 内存空间申请和释放不匹配

  Valgrind功能强大，是一个工具集合，除了Memcheck工具外，还提供Cachegrind、Helgrind、Callgrind、Massif工具。

• Cachegrind

  与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。

• Helgrind

   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。

• Callgrind

  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。

• 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。

• extension

  可以根据core提供的功能，编写自定义的内存调试工具 。

  以上工具集介绍引自Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具文章，更新详细的介绍可以阅读原文，总结得非常好。

4 使用Valgrind工具检测内存

  Valgrind内存检测的原理是，Valgrind实现一个程序运行的虚拟环境，待检测的应用程序在Valgrind的虚拟环境中运行，Valgrind能够实时监测程序中内存申请、使用、释放的情况，并记录一些正常运行的有效信息和可能存在内存异常的信息，输出到终端或者用户指定的文件中。

4.1 Valgrind安装

  Valgrind工具实用且使用广泛，大多数主流linux系统发行版都已集成Valgrind工具，在终端输入“valgrind”，如系统没有安装Valgrind工具会提示以下安装信息。

acuity@ubuntu:~$ valgrind 
The program 'valgrind' is currently not installed. You can install it by typing:
sudo apt install valgrind

  Valgrind安装可以下载源码后安装，也通过系统源在线安装，Ubuntu推荐在线安装。

sudo apt install valgrind

  安装完成，输入“valgrind”命令，提示以下信息，表示安装成功。

acuity@ubuntu:~$ valgrind
valgrind: no program specified
valgrind: Use --help for more information.

4.2 使用说明

• 待检测的程序编译时需加入"-g"，保留调试信息
• 检测命令格式：valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./file，–leak-check=full表示检测所有内存泄露
• 检测记录除了输出到终端，还可以输出到文件，这样可以监测程序长时间运行后出现异常，通过查阅文件记录分析问题
• 更多的使用说明或者忘记命令时，可以执行valgrind -h查看帮助信息

4.3 检测程序使用空指针

例子uninit.c：

#include 

int main(int argc, char * argv [ ])
{	
	int *p = NULL;

    printf("address [0x%p]\r\n", p);
	*p = 0;
	
    return 0;
}

  访问空指针，特别是往空指针写数据时，基本会引起段错误（Segmentation fault ），此时系统会产生core dump 文件，通过 core dump文件结合GDB工具也很容易找出访问空指针的地方。

4.4 检测程序使用野指针

例子free.c：

#include 
#include 

int main(int argc, char * argv [ ])
{	
	int *p = NULL;

	p = malloc(4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
	}
    printf("address [0x%p]\r\n", p);
	free(p);
	*p = 0;
	
    return 0;
}

4.5 检测程序内存空间访问越界

例子over.c：

#include 
#include 

int main(int argc, char * argv [ ])
{	
	int *p = NULL;

	p = malloc(4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
	}
    printf("address [0x%p]\r\n", p);
	p[4] = 0;
	free(p);
	
    return 0;
}

4.6 检测程序内存空间未释放

例子leak.c：

#include 
#include 

int main(int argc, char * argv [ ])
{	
	int *p = NULL;

	p = malloc(4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
	}
    printf("address [0x%p]\r\n", p);

    return 0;
}

4.7 检测程序内存空间重复释放

例子refree.c：

#include 
#include 

int main(int argc, char * argv [ ])
{	
	int *p = NULL;

	p = malloc(4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
	}
    printf("address [0x%p]\r\n", p);
	free(p);
	free(p);
	
    return 0;
}

4.8 检测程序内存空间申请与释放不匹配

例子nolike.c：

#include 
#include 

int main(int argc, char * argv [ ])
{	
	int *p = NULL;

	p = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
	}
    printf("address [0x%p]\r\n", p);
	delete p;
	
    return 0;
}

4.9 小结

  内存泄露检测包括动态内存使用的规范性，根本的解决办法是程序员保持良好的编码习惯，使用动态内存时谨慎考虑，保证申请与释放的必然性。因为，一些隐晦的问题可能需要在特定条件下才会引起内存泄露，依赖于检测工具也是需要长时间运行软件才能发现。

  Valgrind—memcheck工具更多是用于检测内存泄露，空指针、野指针、内存越界、重复释放等问题，会引系统段错误（Valgrind），使用GDB结合系统产生的core dump文件，也能快速定位到调用位置。而内存泄露不会立即导致系统异常，只有运行一定时间后系统申请不到内存时才会引起异常。因此，借助Valgrind—memcheck工具来检测内存泄露是一个高效的方法之一。

5 参考文章

【1】Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具

【2】Valgrind学习总结