一、概述
Valgrind 是一个开源的内存调试和性能分析工具，用于帮助开发者找出程序中的内存错误，如内存走漏、使用未初始化的内存、非法内存访问等问题。它在 Linux 平台上广泛使用，而且支持下多种处置惩罚器架构。
二、Valgrind 的使用
1、基本格式
- valgrind --tool=memcheck -–gen-suppressions=all -–show-leak-kinds=all --log-file=<filename> --leak-check=yes ./your_app arg1 arg2...
- valgrind：这是一个内存调试工具集，其中的 memcheck 是其中的一个工具，它用于检查内存相干的错误。
- -–gen-suppressions=all：误报是内存走漏排查中的常见现象。使用该参数，我们可以标志那些误报，生成抑制规则，让 Valgrind 在后续的检查中忽略这些特定的情况。
- –show-leak-kinds=all：显示全部的内存走漏信息。
- –log-file=<filename>：这是一个选项，用于指定 Valgrind 输出的日志文件的文件名。你可以将 <filename> 替换为你想要的文件名或路径。
- –leak-check=yes：这个选项告诉 Valgrind 在程序运行结束后检查内存走漏。它将会列出程序中存在的任何未开释的内存。（尚有一种写法：--leak-check=full，意思是一样的）
- ./your_app：这里应该是你要检查的可实行文件的路径。将 your_app 替换为你的程序的实际名称。
- arg1 arg2…：这些是你的程序大概需要的下令行参数。用空格分隔，替换为你程序实际需要的参数。
2、Valgrind 工具集
Valgrind 工具集包含多个工具，每个工具都针对不同的调试、分析和性能优化使命。以下是 Valgrind 工具会合一些常用的工具：
- Memcheck：这是 Valgrind 最常用的工具之一，用于检测程序中的内存错误，例如内存走漏、未初始化的内存读取、非法内存访问等。
- Cachegrind：用于模拟缓存和分支预测器的活动，帮助优化程序的缓存使用和实行路径。
- Callgrind：用于程序性能分析，跟踪函数调用关系和实行次数，帮助找出程序中的性能瓶颈。
- Helgrind：专门用于检测多线程程序中的并发错误，如数据竞争、死锁等问题。
- Massif：用于分析程序的堆内存使用情况，包罗堆分配、开释和堆内存的快照。
- DHAT (Dynamic Heap Analysis Tool)：用于深入分析程序的堆内存分配情况，帮助找出内存分配和使用方面的问题。
- BBV(Basic Block Vectors)：可用于收集程序中基本块的统计信息，帮助理解程序的实行路径和性能特征。
每个工具都有其特定的用途和上风，可以根据需要选择符合的工具来举行程序调试、性能优化或内存分析。
接下来主要是介绍 Memcheck 工具的使用。
3、Memcheck
Valgrind 在内存检测方面主要有四个使用场景：
- 使用未初始化的内存
- 内存走漏
- 在内存被开释后举行读/写
- 内存块的尾部举行读/写
3.1 使用未初始化的内存
首先看一个例子：
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- int main(){
- char *p;
- char c = *p;
- printf("\n [%c]\n", c);
- return 0;
- }
然后使用 Valgrind 工具分析：
- $ valgrind --tool=memcheck ./a.out
3.2 内存走漏
照旧先看代码：
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- int main(){
- char *p = malloc(1);
- *p = 'a';
- char c = *p;
- printf("\n [%c]\n", c);
- return 0;
- }
然后使用 Valgrind 工具分析：
- $ valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./a.out
3.3 在内存被开释后举行读/写
示例代码如下：
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- int main(){
- char *p = malloc(1);
- *p = 'a';
- char c = *p;
- printf("\n [%c]\n", c);
- free(p);
- c = *p;
- return 0;
- }
- $ gcc test
- .c$ valgrind --tool=memcheck ./a.out
3.4 内存块的尾部举行读/写
代码如下：
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- int main(){
- char *p = malloc(1);
- *p = 'a';
- char c = *(p+1);
- printf("\n [%c]\n", c);
- free(p);
- return 0;
- }
- $ gcc test
- .c$ valgrind --tool=memcheck ./a.out
4、常见错误
下面是一些日志打印中常见的错误：
- malloc/free: in use at exit ：内存在退出前没有开释
- invalid write of size：非法写入内存，一般为数组越界
- invalid read of size：非法读内存：一般为数组越界
- definitely lost /possibly lost /still reachable in loss record：内存未开释
- definitely ：确认丢失。程序中存在内存泄露，应尽快修复。
- indirectly：间接丢失。当使用了含有指针成员的类或结构时大概会报这个错误 。
- possibly：大概丢失。大多数情况下应视为与"definitely lost"一样需要尽快修复。
- still reachable：可以访问，未丢失但也未开释。如果程序是正常结束的，那么它大概不会造成程序崩溃，但长时间运行有大概耗尽体系资源。
- suppressed：已被办理。出现了内存泄露但体系自动处置惩罚了。可以无视这类错误。
- invalid free()/delete/delete[]：同一指针被多次开释
- source and destination overlay：一般是使用strncpy,memcpy引起
- syscall param contains uninitialized byte：调用体系函数时传入了未初始化的变量
- conditional jump or move depends on uninitialized value ：条件判断时使用了未初始化的变量
- access not with mapped region/stack overflow：栈溢出
- mismatch free()/delete/delete[]/new：delete/malloc/free搭配错误
三、分析内存走漏的使用本领
1、Valgrind 调和 GDB 工作
在 Linux 内存走漏的排查过程中，Valgrind 和 GDB 的联合使用是一种强大的调试策略。Valgrind 可以或许帮助我们发现程序中的内存走漏，而 GDB 则允许我们深入程序的实行，查察变量和内存状态，从而精确地定位问题。
Valgrind 提供了一个 --vgdb-error=0 的选项，允许我们在第一个错误发生时立即启动 GDB。如许，我们可以在程序实行到大概出现内存走漏的地方时，立即举行检查。
下面是操作流程：
- $ valgrind --tool=memcheck --vgdb=yes --vgdb-error=0 ./a.out
- 当 Valgrind 报告内存错误时，它会暂停程序实行。
- 在另一个终端中，我们可以启动 GDB 并连接到 Valgrind：
- $ gdb ./a.out
- (gdb) target remote | vgdb
- 然后就可以使用 GDB 的调试下令了，我们可以检查导致错误的代码行，查察变量的值和内存的状态。
2、使用 /proc 定位问题
Linux 的 /proc 文件体系包含了体系运行时的各种信息，其中也包罗了历程的内存映射情况。通太过析 /proc/[pid]/maps 文件，我们可以得知历程的内存分配情况，这对于定位内存走漏非常有用。
每个历程的 /proc/[pid]/maps 文件都记录了该历程的内存映射。我们可以通过以下下令查察特定历程的内存映射：
[pid] 需要替换为我们怀疑存在内存走漏的历程ID。通太过析这个文件，我们可以看到历程的内存分配情况，包罗哪些库文件被加载，以及它们的内存地址范围。
从左向右的六列数据的含义如下：
- 地址范围：表示内存段的起始和结束地址。
- 权限：表示内存段的访问权限。
- 偏移量：表示从文件开始到映射区域开始的偏移。
- 装备：表示关联的装备。
- 节点：表示文件体系中的节点号。
- 路径：表示映射到的文件路径，如果是 [heap] 则表示堆内存区域。
如果发生内存走漏，表格中的某些行会显示出异常的模式，特殊是在堆大概大概的匿名映射（通常是堆或栈的扩展）区域。以下是一些大概表明内存走漏的情况：
- 堆内存增长：如果 [heap] 区域的地址范围随时间不断增长，这大概表明堆内存正在走漏。
- 频繁的小块分配：大量小块内存分配而且没有对应的开释，大概会在表格中显示为很多小范围的内存映射。
- 匿名映射：大量的匿名映射（没有关联路径的映射）大概是动态分配内存未被开释的迹象。
好比，下列数据展示了大概的内存走漏的情况：
- 02557000-03578000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
- ...
- 7ff3c8c00000-7ff3c8e21000 rw-p 00000000 00:00 0
- [heap] 区域的大小异常，表明大概有大量的内存分配没有得到开释。
- 存在连续的 rw-p 权限的匿名映射，这些大概是由于内存分配（如 malloc 或 new）造成的，如果这些区域的大小不断增长，且没有相应的开释，那么很大概是内存走漏的地方。
3、使用 top、ps 识别异常历程
3.1 使用 top
这个下令会将历程按内存使用率举行排序，帮助我们更快地定位到内存使用异常的历程。
在使用 top 下令观察历程的内存使用情况时，我们需要关注的是内存使用量（RES）和虚拟内存使用量（VIRT）。内存走漏通常表现为随着时间的推移，这两个值会不断增长。
- 内存使用量（RES）：历程实际使用的物理内存大小。如果一个历程存在内存走漏，我们会看到 RES 值不断上升，纵然在没有新的活动产生时也是如此。这是因为走漏的内存没有被操作体系回收，从而导致物理内存的连续占用。
- 虚拟内存使用量（VIRT）：包罗历程使用的全部内存，不仅包罗RES，还包罗历程未使用但已分配的内存。内存走漏会导致VIRT值不断增长，这是因为历程请求了更多的内存，但并未开释。
3.2 使用 ps
我们可以使用 ps 下令的 -o 选项来自定义输出，以便专注于内存相干的信息。例如：
- $ ps -eo pid,ppid,cmd,%mem,%cpu --sort=-%mem
联合历史数据，我们可以分析历程的内存使用趋势。通过定期记录 ps 下令的输出，我们可以创建一个内存使用的时间序列，这有助于我们识别内存走漏的长期趋势。
- #! /bin/sh
- while true; do
- ps -eo pid,cmd,%mem,%cpu --sort=-%mem | head -n 10 >> memory_usage.log;
- sleep 60;
- done
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