Valgrind——memcheck内存泄漏分析

概述

valgrind 官网 https://www.valgrind.org/

valgrind 是 Linux 业界主流且非常强大的内存泄漏检查工具。在其官网介绍中，内存检查（memcheck）只是其其中一个功能。valgrind 默认使用 memcheck 去检查内存问题。

valgrind 这个工具不能用于调试正在运行的程序，因为待分析的程序必须在它特定的环境中运行，它才能分析内存。

memcheck 检测内存问题的原理如下图所示：

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 map:
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 map
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。

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memcheck检测原理

当要读写内存中某个字节时，首先检查 valid-address map 中这个字节对应的 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 (在 valid-value map 中) 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。

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内存泄露分类

valgrind 将内存泄漏分为 4 类。

• 明确泄漏（definitely lost）：内存还没释放，但已经没有指针指向内存，内存已经不可访问
• 间接泄漏（indirectly lost）：泄漏的内存指针保存在明确泄漏的内存中，随着明确泄漏的内存不可访问，导致间接泄漏的内存也不可访问
• 可能泄漏（possibly lost）：指针并不指向内存头地址，而是指向内存内部的位置
• 仍可访达（still reachable）：指针一直存在且指向内存头部，直至程序退出时内存还没释放。

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明确泄露

官方用户手册描述如下：

This means that no pointer to the block can be found. The block is
classified as “lost”, because the programmer could not possibly have
freed it at program exit, since no pointer to it exists. This is
likely a symptom of having lost the pointer at some earlier point in
the program. Such cases should be fixed by the programmer.

其实简单来说，就是内存还没释放，但已经没有任何指针指向这片内存，内存地址已经丢失。定义比较好理解，就不举例了。

valgrind 检查到明确泄漏时，会打印类似下面这样的日志：

19182 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
19182 at 0x1B8FF5CD: malloc (vg_replace_malloc.c:130)
19182 by 0x8048385: f (a.c:5)
19182 by 0x80483AB: main (a.c:11)

明确泄漏的内存是强烈建议修复的，这没啥好争辩的。

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间接泄漏

官方用户手册描述如下：

This means that no pointer to the block can be found. The block is
classified as “lost”, because the programmer could not possibly have
freed it at program exit, since no pointer to it exists. This is
likely a symptom of having lost the pointer at some earlier point in
the program. Such cases should be fixed by the programmer.

间接泄漏就是指针并不直接丢失，但保存指针的内存地址丢失了。比较拗口，咱们看个例子:

struct list {
	struct list *next;
};

int main(int argc, char **argv)
{
	struct list *root;
	
	root = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
	root->next = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
	printf("root %p roop->next %p\n", root, root->next);
	root = NULL;
	return 0;
}

丢失的是 root 指针，导致 root 存储的 next 指针成为了间接泄漏。

valgrind 检查会打印如下日志：

# valgrind --tool=memcheck --leak-check=full --show-reachable=yes /data/demo-c
==10435== Memcheck, a memory error detector
==10435== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==10435== Using Valgrind-3.17.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==10435== Command: /data/demo-c
==10435==
root 0x4a33040 roop->next 0x4a33090
==10435==
==10435== HEAP SUMMARY:
==10435==     in use at exit: 16 bytes in 2 blocks
==10435==   total heap usage: 3 allocs, 1 frees, 1,040 bytes allocated
==10435==
==10435== 8 bytes in 1 blocks are indirectly lost in loss record 1 of 2
==10435==    at 0x4845084: malloc (vg_replace_malloc.c:380)
==10435==    by 0x4007BF: main (in /data/demo-c)
==10435==
==10435== 16 (8 direct, 8 indirect) bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 2 of 2
==10435==    at 0x4845084: malloc (vg_replace_malloc.c:380)
==10435==    by 0x4007B3: main (in /data/demo-c)
==10435==
==10435== LEAK SUMMARY:
==10435==    definitely lost: 8 bytes in 1 blocks
==10435==    indirectly lost: 8 bytes in 1 blocks
==10435==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==10435==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==10435==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==10435==
==10435== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
==10435== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

默认情况下，只会打印 明确泄漏 和 可能泄漏，如果需要同时打印间接泄漏，需要加上选项 --show-reachable=yes.

间接泄漏的内存肯定也要修复的，不过一般会随着明确泄漏的修复而修复

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可能泄漏

官方用户手册描述如下：

This means that a chain of one or more pointers to the block has been found, but at least one of the pointers is an interior-pointer. This could just be a random value in memory that happens to point into a block, and so you shouldn’t consider this ok unless you know you have interior-pointers.

valgrind 之所以会怀疑可能泄漏，是因为指针已经偏移，并没有指向内存头，而是有内存偏移，指向内存内部的位置。

有些时候，这并不是泄漏，因为这些程序就是这么设计的，例如为了实现内存对齐，额外申请内存，返回对齐后的内存地址。但更多时候，是我们不小心 p++ 了。

可能泄漏的情况需要我们根据代码情况自己分析确认。

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仍可访达

官方用户手册描述如下：

This covers cases 1 and 2 (for the BBB blocks) above. A start-pointer or chain of start-pointers to the block is found. Since the block is still pointed at, the programmer could, at least in principle, have freed it before program exit. “Still reachable” blocks are very common and arguably not a problem. So, by default, Memcheck won’t report such blocks individually.

仍可访达 表示在程序退出时，不管是正常退出还是异常退出，内存申请了没释放，都属于仍可访达的泄漏类型。

如果测试的程序是正常退出的，那么这些 仍可访达 的内存就是泄漏，最好修复了。如果测试是长期运行的程序，通过信号提前终止，那么这些内存就大概率并不会泄漏。

其他的内存错误检查类型

即使是 memcheck 一个工具，除了检查内存泄漏之外，还支持其他内存错误使用的检查。

• 非法读/写内存（Illegal read / Illegal write errors）
• 使用未初始化的变量（Use of uninitialised values）
• 系统调用传递不可访问或未初始化内存（Use of uninitialised or unaddressable values in system calls）
• 非法释放（Illegal frees）
• 不对应的内存申请和释放（When a heap block is freed with an inappropriate
  deallocation function）
• 源地址和目的地址重叠（Overlapping source and destination blocks）
• 内存申请可疑大小（Fishy argument values）

memcheck工具的支持的错误类型可看官方文档：https://www.valgrind.org/docs/manual/mc-manual.html#mc-manual.errormsgs

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本文翻译几个感兴趣的错误类型:

非法读/写内存

例子：

Invalid read of size 4
   at 0x40F6BBCC: (within /usr/lib/libpng.so.2.1.0.9)
   by 0x40F6B804: (within /usr/lib/libpng.so.2.1.0.9)
   by 0x40B07FF4: read_png_image(QImageIO *) (kernel/qpngio.cpp:326)
   by 0x40AC751B: QImageIO::read() (kernel/qimage.cpp:3621)
 Address 0xBFFFF0E0 is not stack'd, malloc'd or free'd

在你要操作的内存超出边界或者非法地址时，就会有这个错误提示。
常见的错误，例如访问数组越界：

int arr[4];
arr[4] = 10;

或者使用已经释放了的内存:

char *p = malloc(30);
…
free（p）；
…
p[1] = ‘\0’;

如果发现这样的错误，最好也修复了。因为这些错误大概率会导致段错误

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使用未初始化的变量

尤其出现在局部变量未赋值，却直接读取的情况。也包括申请了内存，没有赋值却直接读取，虽然这情况会读出 ‘\0’，不会导致异常，但更多时候是异常逻辑。

例子：

int main()
{
  int x;
  printf ("x = %d\n", x);
}

如果要详细列出哪里申请的内存未初始化，需要使用参数 --track-origins=yes，但也会让运行慢很多。

错误显示是这样的：

Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
at 0x402DFA94: _IO_vfprintf (_itoa.h:49)
by 0x402E8476: _IO_printf (printf.c:36)
by 0x8048472: main (tests/manuel1.c:8)

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系统调用传递不可访问或未初始化内存

memcheck 工具会检查所有系统调用的参数：

• 参数是否有初始化
• 如果是系统调用读取程序提供的buffer，会产检整个buffer是否可访问和已经初始化
• 如果是系统调用要往用户的buffer写入数据，会检查buffer是否可访问

错误显示是这样的：

  Syscall param write(buf) points to uninitialised byte(s)
     at 0x25A48723: __write_nocancel (in /lib/tls/libc-2.3.3.so)
     by 0x259AFAD3: __libc_start_main (in /lib/tls/libc-2.3.3.so)
     by 0x8048348: (within /auto/homes/njn25/grind/head4/a.out)
   Address 0x25AB8028 is 0 bytes inside a block of size 10 alloc'd
     at 0x259852B0: malloc (vg_replace_malloc.c:130)
     by 0x80483F1: main (a.c:5)

  Syscall param exit(error_code) contains uninitialised byte(s)
     at 0x25A21B44: __GI__exit (in /lib/tls/libc-2.3.3.so)
     by 0x8048426: main (a.c:8)

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不对应的内存申请和释放

检查逻辑如下：

• malloc, calloc, realloc, valloc 申请的内存，必须用 free 释放。
• new 申请的内存，必须用 delete 释放。
• new[] 申请的内存，必须用 delete[] 释放。

错误显示是这样的：

Mismatched free() / delete / delete []
   at 0x40043249: free (vg_clientfuncs.c:171)
   by 0x4102BB4E: QGArray::~QGArray(void) (tools/qgarray.cpp:149)
   by 0x4C261C41: PptDoc::~PptDoc(void) (include/qmemarray.h:60)
   by 0x4C261F0E: PptXml::~PptXml(void) (pptxml.cc:44)
 Address 0x4BB292A8 is 0 bytes inside a block of size 64 alloc'd
   at 0x4004318C: operator new[](unsigned int) (vg_clientfuncs.c:152)
   by 0x4C21BC15: KLaola::readSBStream(int) const (klaola.cc:314)
   by 0x4C21C155: KLaola::stream(KLaola::OLENode const *) (klaola.cc:416)
   by 0x4C21788F: OLEFilter::convert(QCString const &) (olefilter.cc:272)

shell命令及参数

valgrind 的执行命令如下：

valgrind [valgrind_optons] myprog [myprog_arg1 …]

例如：

valgrind --leak-check=full ls -al

使用valgrind做内存检查，程序的执行效率会比平常慢大约20~30倍，以及用更多的内存。
valgrind 会在收到到 1000 个不同的错误，或者共计 10,000,000 个错误时自动停止继续收集错误信息。

此外，不建议直接通过 valgrind 来运行脚本，否则只会得到 shell 或者其他的解释器相关的错误报告。我们可以通过提供选项 --trace-children=yes 来强制解决这个问题，但是仍然有可能出现混淆。

valgrind 只有在进程退出时，才会一次性打印所有的分析结果。

参数

valgrind 有非常多的参数，可以自行通过 valgrind --help 查看大致说明

本文只对用到的几个参数进行详细说明。

--tool=<toolname>[default: memcheck]

valgrind支持不少检查工具，都有各种功能。但用的更多的还是他的内存检查（memcheck）。–tool= 用于选择你需要执行的工具，如果不指明则默认为 memcheck。

--log-file=<filename> And --log-fd=<number> [default: 2, stderr]

valgrind 打印日志转存到指定文件或者文件描述符。如果没有这个参数，valgrind 的日志会连同用户程序的日志一起输出，对于大多数使用者来说，会显得非常乱。

valgrind 还支持把错误日志重定向到 socket 中，由于没用过，就不展开了。

–leak-check= [default: summary]
这个参数决定了输出泄漏结果时，输出的是结果内容。 no 没有输出，summary 只输出统计的结果，yes 和 full 输出详细内容。
常见的使用是：–leak-check=full

–show-leak-kinds= [default: definite,possible]
valgrind 有4种泄漏类型，这个参数决定显示哪些类型泄漏。definite indirect possible reachable 这4种可以设置多个，以逗号相隔，也可以用 all 表示全部类型，none 表示啥都不显示。
大多数情况，我们直接用 --show-reachable=yes 而不是 --show-leak-kinds=…，见下文。

–show-reachable= , --show-possibly-lost=
–show-reachable=no --show-possibly-lost=yes 等效于 --show-leak-kinds=definite,possible。
–show-reachable=no --show-possibly-lost=no 等效于 --show-leak-kinds=definite。
–show-reachable=yes 等效于 --show-leak-kinds=all。 需要注意的是，在使能 --show-reachable=yes 时，–show-possibly-lost=no 会无效。

常见的，这个参数这么使用：–show-reachable=yes

–trace-children= [default: no]
是否跟踪子进程？看自己需求，如果是多进程的程序，则建议使用这个功能。不过单进程使能了也不会有多大影响。

–keep-stacktraces=alloc | free | alloc-and-free | alloc-then-free | none [default: alloc-and-free]
内存泄漏不外乎申请和释放不配对，函数调用栈是只在申请时记录，还是在申请释放时都记录，还是其他？如果我们只关注内存泄漏，其实完全没必要申请释放都记录，因为这会占用非常多的额外内存和更多的 CPU 损耗，让本来就执行慢的程序雪上加霜。
因此，建议这么使用：–keep-stacktraces=alloc

–track-fds= [default: no]
是否跟踪文件打开和关闭？很多时候，文件打开后没关闭也是一个明显的泄漏。

–track-origins= [default: no]
对使用非初始化的变量的异常，是否跟踪其来源。
在确定要分析使用未初始化内存错误时使能即可，平时使能这个会导致程序执行非常慢。

–keep-debuginfo= [default: no]
如果程序有使用动态加载库（dlopen），在动态库卸载时（dlclose），debug信息都会被清除。使能这个选项后，即使动态库被卸载，也会保留调用栈信息。

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代码实例

#include 
#include 
#include 

//内存泄漏1：malloc（）不free（）
static void mem_leak1(void)
{
        char  *p = malloc(1);
}

//创建文件描述符不关闭
static void mem_leak2(void)
{
    int fd1 = open("text1.txt", O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
    int fd2 = open("text2.txt", O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
    int fd3 = open("text3.txt", O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
}

//溢出：越界访问（指针）
static void mem_overrun1(void)
{
        char  *p = malloc(1);
        *(short *)p = 2;
        
        free(p);
}

//溢出：越界访问（数组）
static void mem_overrun2(void)
{
        char  array[4];
        strcpy(array, "hello");
}

//分配一次，释放两次
static void mem_double_free(void)
{
        char  *p = malloc(1);
        free(p);
        free(p);
}

//使用野指针
static void mem_use_wild_pointer(void)
{
        char  *p;
        *p = 1;
}

//释放野指针
static void mem_free_wild_pointer(void)
{
        char  *p;
        free(p);
}

这里一共列出了七种常见的内存问题：
1、动态内存泄露
2、资源泄露，这里以文件描述符为例；
3、动态内存越界；
4、数组内存越界；
5、动态内存double free；
6、使用野指针，即未初始化的指针；
7、释放野指针，即未初始化的指针；

其中由于本示例代码过于简单，第6种情况，使用野指针会直接导致程序崩溃，所以在main中，并没有真正的调用那个示例代码。
由于valgrind只能检测执行到的代码，所以在后面的报告中，不会报告第6种错误情况。
但是，在大型的项目中，有可能使用野指针并不会导致程序崩溃。另外上面的7中情况，有些情况严格的说，实际上可以归为一类。

看执行后的报告：

1、这里检测到了动态内存越界，提示Invaild write

2、这里检测到了文件描述符的泄露（打开未关闭）
3、这里检测到了double free的问题，提示Invalid Free(如下图)
4、这里检测到了非法释放，释放野指针、以及double free

5、这里检测到了未初始化变量

堆的使用信息：
一共用了3次alloc，4次free。

6、检测到一个字节的内存泄露

内存泄露的总结：

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参考博客：
https://www.cnblogs.com/gmpy/p/14778243.html
https://www.jianshu.com/p/5a31d9aa1be2