valgrind工具简单使用

1概述

1.1 介绍

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。Valgrind的体系结构如下图所示：

1.2 工具

Valgrind它一般包含下列工具：

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：
对未初始化内存的使用；
读/写释放后的内存块；
读/写超出malloc分配的内存块；
读/写不适当的栈中内存块；
内存泄漏，指向一块内存的指针永远丢失；
不正确的malloc/free或new/delete匹配；
memcpy()相关函数中的dst和src指针重叠。

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。

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。

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。

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。
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。

1.3 原理

Memcheck 能够检测出内存问题，关键在于其建立了两个全局表。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。
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。

2 安装使用

2.1安装

从官网http://www.valgrind.org下载最新版本

#tar xvf valgrind-3.15.0.tar.bz2
#cd valgrind-3.15.0
#./configure --prefix=/usr/local/valgrind--指定安装目录
#make
#make install

3.实际用例

3.1.Memcheck

源码如下：

int main(void)
{
     
	char *p = malloc(1);
	*p = 'a';
	char c = *p;
	printf("\n [%c]\n",c);
	free(p);
	c = *p;
	return 0;
}

编译运行监测

gcc -g test1.c
valgrind/bin/valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./a.out 

运行结果如下：

==53979== Memcheck, a memory error detector
==53979== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==53979== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==53979== Command: ./a.out
==53979== 
==53979== Invalid write of size 4
==53979==    at 0x400544: k (test1.c:5)
==53979==    by 0x400555: main (test1.c:10)
==53979==  Address 0x5205064 is 4 bytes after a block of size 32 alloc'd
==53979==    at 0x4C2DE96: malloc (vg_replace_malloc.c:309)
==53979==    by 0x400537: k (test1.c:4)
==53979==    by 0x400555: main (test1.c:10)
==53979== 
==53979== 
==53979== HEAP SUMMARY:
==53979==     in use at exit: 32 bytes in 1 blocks
==53979==   total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 32 bytes allocated
==53979== 
==53979== 32 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==53979==    at 0x4C2DE96: malloc (vg_replace_malloc.c:309)
==53979==    by 0x400537: k (test1.c:4)
==53979==    by 0x400555: main (test1.c:10)
==53979== 
==53979== LEAK SUMMARY:
==53979==    definitely lost: 32 bytes in 1 blocks
==53979==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==53979==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==53979==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==53979==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==53979== 
==53979== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
==53979== ERROR SUMMARY: 2 errors from 2 contexts (suppressed: 0 from 0)

2.Callgrind

源码callgrind_test.c

#include 
#include 
 
void f1() {
     
  int i;
  int *p;
  for (i = 0; i < 10; i++) {
     
    p = malloc(sizeof(int));
    *p = 10;
    free(p);
  }
}
 
void f2() {
     
  int i;
  int *p;
  for (i = 0; i < 20; i++) {
     
    p = malloc(sizeof(int));
    *p = 10;
    free(p);
  }
}
 
void f3() {
     
  int i;
  int *p;
  for (i = 0; i < 30; i++) {
     
    p = malloc(sizeof(int));
    *p = 10;
    free(p);
  }
}
 
int main() {
     
  int i;
 
  for (i = 0; i < 1000; i++) {
     
    f1();
    f2();
    f3();
  }
 
  return 0;
}

编译运行

gcc -g callgrind_test.c -o callgrind_test
valgrind/bin/valgrind --tool=callgrind ./callgrind_test --dump-instr=yes --trace-jump=yes

在linux上安装kcachegrind

sudo apt install valgrind kcachegrind

运行kcachegrind并打开callgrind.out.54101

3.Cachegrind

cache1.c

#include 
#define MAXROW 8000
#define MAXCOL 8000
int main () {
     
	int i,j;
	static int x[MAXROW][MAXCOL];
	
	printf ("Starting!\n");	
			 for (i=0;i<MAXROW;i++)
				for (j=0;j<MAXCOL;j++)
					x[i][j] = i*j;

	printf("Completed!\n");
	return 0;
}

编译cache1.c运行分析：

gcc -g cache1.c -o cache1.out
valgrind --tool=cachegrind ./cache1.out 

==54031== Cachegrind, a cache and branch-prediction profiler
==54031== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Nicholas Nethercote et al.
==54031== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==54031== Command: ./cache1.out
==54031== 
--54031-- warning: L3 cache found, using its data for the LL simulation.
Starting!
Completed!
==54031== 
==54031== I   refs:      768,207,507
==54031== I1  misses:            862
==54031== LLi misses:            853
==54031== I1  miss rate:        0.00%
==54031== LLi miss rate:        0.00%
==54031== 
==54031== D   refs:      448,081,602  (384,062,315 rd   + 64,019,287 wr)
==54031== D1  misses:      4,002,891  (      2,330 rd   +  4,000,561 wr)
==54031== LLd misses:      4,002,490  (      1,969 rd   +  4,000,521 wr)
==54031== D1  miss rate:         0.9% (        0.0%     +        6.2%  )//0.9%
==54031== LLd miss rate:         0.9% (        0.0%     +        6.2%  )
==54031== 
==54031== LL refs:         4,003,753  (      3,192 rd   +  4,000,561 wr)
==54031== LL misses:       4,003,343  (      2,822 rd   +  4,000,521 wr)
==54031== LL miss rate:          0.3% (        0.0%     +        6.2%  )

cache2.c

#include 
#define MAXROW 8000
#define MAXCOL 8000
int main () {
     
	int i,j;

	static int x[MAXROW][MAXCOL];
	printf ("Starting!\n");
		for (j=0;j<MAXCOL;j++)
			for (i=0;i<MAXROW;i++)
				x[i][j] = i*j;
	printf("Completed!\n");
	return 0;
}

编译cache2.c运行分析：

gcc -g cache2.c -o cache2.out
valgrind --tool=cachegrind ./cache2.out 

==54042== Cachegrind, a cache and branch-prediction profiler
==54042== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Nicholas Nethercote et al.
==54042== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==54042== Command: ./cache2.out
==54042== 
--54042-- warning: L3 cache found, using its data for the LL simulation.
Starting!
Completed!
==54042== 
==54042== I   refs:      768,207,507
==54042== I1  misses:            862
==54042== LLi misses:            853
==54042== I1  miss rate:        0.00%
==54042== LLi miss rate:        0.00%
==54042== 
==54042== D   refs:      448,081,602  (384,062,315 rd   + 64,019,287 wr)
==54042== D1  misses:     64,002,890  (      2,330 rd   + 64,000,560 wr)
==54042== LLd misses:      4,010,489  (      1,969 rd   +  4,008,520 wr)
==54042== D1  miss rate:        14.3% (        0.0%     +      100.0%  ) //14.3%
==54042== LLd miss rate:         0.9% (        0.0%     +        6.3%  )
==54042== 
==54042== LL refs:        64,003,752  (      3,192 rd   + 64,000,560 wr)
==54042== LL misses:       4,011,342  (      2,822 rd   +  4,008,520 wr)
==54042== LL miss rate:          0.3% (        0.0%     +        6.3%  )

显然是cache1的cache miss rate较低，程序的代码质量更高效.

4.Massif

源码massif_test.c

#include 
#include 

int main()
{
     
    int *x = (int *)malloc(sizeof(int)*10);
    free(x);
    x = (int *)malloc(sizeof(int)*10);
    int *y = (int *)malloc(sizeof(int)*10);
    free(y);
    free(x);
    return 0;
}

编译运行测试

gcc -g massif_test.c -o massif_test
valgrind --tool=massif --time-unit=B ./massif_test 
massif.out.57230 

--------------------------------------------------------------------------------
Command:            ./massif_test
Massif arguments:   --time-unit=B
ms_print arguments: massif.out.57250
--------------------------------------------------------------------------------


     B
  112^                                                ############            
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |                                                #                       
     |            @@@@@@@@@@@@            ::::::::::::#           ::::::::::: 
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
     |            @                       :           #           :           
   0 +----------------------------------------------------------------------->B
     0                                                                     336

本文参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/75416381
http://blog.chinaunix.net/uid-29242873-id-4065255.html
https://www.jianshu.com/p/9e14e9936ff1?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg
https://blog.csdn.net/u010168781/article/details/83788559