arm linux下交叉編譯valgrind工具進行記憶體洩露檢測和性能分析

C/C++等底層語言在提供強大功能及性能的同時，其靈活的記憶體通路也帶來了各種糾結的問題。如果crash的地方正是記憶體使用錯誤的地方，說明你人品好。如果crash的地方記憶體明顯不是consistent的，或者記憶體管理資訊都已被破壞，編譯器不能發現這些問題，.運作時才能捕獲到這些錯誤并且還是随機出現的，那就比較麻煩了。當然，祼看code打log是一個辦法，但其效率不是太高，尤其是在運作成本高或重制機率低的情況下。另外，靜态檢查也是一類方法，有很多工具（lint, cppcheck, klockwork, splint, etc.）。但缺點是誤報很多，不适合針對性問題。另外好點的一般還要錢。最後，就是動态檢查工具。下面介紹幾個Linux平台下主要的運作時記憶體檢查工具。絕大多數都是開源免費且支援x86和ARM平台的。

首先，比較常見的記憶體問題有下面幾種：

• memory overrun：寫記憶體越界(越界通路堆、棧和全局變量)

• double free：同一塊記憶體釋放兩次

• use after free：記憶體釋放後使用

• wild free：釋放記憶體的參數為非法值

• access uninitialized memory：通路未初始化記憶體

• read invalid memory：讀取非法記憶體，本質上也屬于記憶體越界

• memory leak：記憶體洩露

• use after return：caller通路一個指針，該指針指向callee的棧内記憶體

• stack overflow：棧溢出

針對上面的問題，主要有以下幾種方法：

1. 為了檢測記憶體非法使用，需要hook記憶體配置設定和操作函數。hook的方法可以是用C-preprocessor，也可以是在連結庫中直接定義（因為Glibc中的malloc/free等函數都是weak symbol），或是用LD_PRELOAD。另外，通過hook strcpy(),memmove()等函數可以檢測它們是否引起buffer overflow。

2. 為了檢查記憶體的非法通路，需要對程式的記憶體進行bookkeeping，然後截獲每次訪存操作并檢測是否合法。bookkeeping的方法大同小異，主要思想是用shadow memory來驗證某塊記憶體的合法性。至于instrumentation的方法各種各樣。有run-time的，比如通過把程式運作在虛拟機中或是通過binary translator來運作；或是compile-time的，在編譯時就在訪存指令時就加入檢查操作。另外也可以通過在配置設定記憶體前後加設為不可通路的guard page，這樣可以利用硬體(MMU)來觸發SIGSEGV，進而提高速度。

3. 為了檢測棧的問題，一般在stack上設定canary，即在函數調用時在棧上寫magic number或是随機值，然後在函數傳回時檢查是否被改寫。另外可以通過mprotect()在stack的頂端設定guard page，這樣棧溢出會導緻SIGSEGV而不至于破壞資料。

以下是幾種常用工具在linux x86_64平台的實驗結果，注意其它平台可能結果有差異。

Tool\Problem	memory overrun	double free	use after free	wild free	access uninited	read invalid memory	memory leak	use after return	stack overflow
Memory checking tools in Glibc	Yes	Yes	Yes	Yes(if use memcpy, strcpy, etc)
Valgrind	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
Memwatch	Yes	Yes	Yes
Dmalloc	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes

下面簡單介紹一下這些工具以及基本用法。更詳細用法請參見各自manual。

valgrind通常用來成分析程式性能及程式中的記憶體洩露等錯誤

一 Valgrind工具集介紹

Valgrind包含下列工具：

1、memcheck：檢查程式中的記憶體問題，如洩漏、越界、非法指針等。

2、callgrind：檢測程式代碼的運作時間和調用過程，以及分析程式性能。

3、cachegrind：分析CPU的cache命中率、丢失率，用于進行代碼優化。

4、helgrind：用于檢查多線程程式的競态條件。

5、massif：堆棧分析器，訓示程式中使用了多少堆記憶體等資訊。

這幾個工具的使用是通過指令：valgrand --tool=name 程式名來分别調用的，當不指定tool參數時預設是 --tool=memcheck

二 Valgrind工具詳解

1.Memcheck

最常用的工具，用來檢測程式中出現的記憶體問題，所有對記憶體的讀寫都會被檢測到，一切對malloc、free、new、delete的調用都會被捕獲。是以，它能檢測以下問題：

1、對未初始化記憶體的使用；

2、讀/寫釋放後的記憶體塊；

3、讀/寫超出malloc配置設定的記憶體塊；

4、讀/寫不适當的棧中記憶體塊；

5、記憶體洩漏，指向一塊記憶體的指針永遠丢失；

6、不正确的malloc/free或new/delete比對；

7、memcpy()相關函數中的dst和src指針重疊。

這些問題往往是C/C++程式員最頭疼的問題，Memcheck能在這裡幫上大忙。

例如：

[plain] view plain copy

#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <string.h>
void test()
{
int *ptr = malloc(sizeof(int)*10);
ptr[10] = 7; // 記憶體越界
memcpy(ptr +1, ptr, 5); // 踩記憶體
free(ptr);
free(ptr);// 重複釋放
int *p1;
*p1 = 1; // 非法指針
}
int main(void)
{
test();
return 0;
}

将程式編譯生成可執行檔案後執行： valgrind --leak-check=full ./程式名

輸出結果如下：

==4832== Memcheck, a memory error detector

==4832== Using Valgrind-3.6.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info

==4832== Command: ./tmp

==4832==

==4832== Invalid write of size 4 // 記憶體越界

==4832== at 0x804843F: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)