使用Valgrind发现Linux下C程序的内存问题

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缘由：

学习使用Valgrind的Memcheck工具发现Linux下C程序中的内存问题。

正文：

参考解答：

Valgrind是什么？

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包括如下一些工具：

Memcheck。这是Valgrind应用最广泛的工具，一个重量级的内存检查器，能够发现开发中绝大多数内存错误使用情况，比如：使用未初始化的内存，使用已经释放了的内存，内存访问越界等。
Callgrind。它主要用来检查程序中函数调用过程中出现的问题。
Cachegrind。它主要用来检查程序中缓存使用出现的问题。
Helgrind。它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。
Massif。它主要用来检查程序中堆栈使用中出现的问题。
Extension。可以利用core提供的功能，自己编写特定的内存调试工具。

Valgrind Memcheck的检测方法和原理：

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。

Valgrind Memcheck可发现的常见内存问题：

使用未初始化的内存(对于位于程序中不同段的变量，其初始值是不同的，全局变量和静态变量初始值为0，而局部变量和动态申请的变量，其初始值为随机值。如果程序使用了为随机值的变量，那么程序的行为就变得不可预期。)
内存读写越界(访问了你不应该/没有权限访问的内存地址空间，比如访问数组时越界；对动态内存访问时超出了申请的内存大小范围。)
内存覆盖(比如 strcpy, strncpy, memcpy, strcat 等，这些函数有一个共同的特点就是需要设置源地址 (src)，和目标地址(dst)，src 和 dst 指向的地址不能发生重叠，否则结果将不可预期。)
动态内存管理错误(申请和释放不一致/申请和释放不匹配/释放后仍然读写)
内存泄露(在一个单独的函数中，每个人的内存泄露意识都是比较强的。但很多情况下，我们都会对malloc/free 或new/delete做一些包装，以符合我们特定的需要，无法做到在一个函数中既使用又释放。内存泄露最容易发生的地方：即两个部分的接口部分，一个函数申请内存，一个函数释放内存。并且这些函数由不同的人开发、使用，这样造成内存泄露的可能性就比较大了。这需要养成良好的单元测试习惯，将内存泄露消灭在初始阶段。)

Valgrind Memcheck的使用方法：

利用valgrind调试内存问题，不需要重新编译源程序，它的输入就是二进制的可执行程序。调用Valgrind的通用格式是：

$ valgrind [valgrind-options] your-prog [your-prog-options]

Valgrind 的参数分为两类，一类是 core 的参数，它对所有的工具都适用；另外一类就是具体某个工具如 memcheck 的参数。Valgrind 默认的工具就是 memcheck，也可以通过 `–tool=tool_name` 指定其他的工具。Valgrind 提供了大量的参数满足你特定的调试需求，具体可参考其用户手册。

$ valgrind [valgrind-options] your-prog [your-prog-options]
$ valgrind ./a.out
$ valgrind --tool=memcheck ./a.out
$ valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./a.out # 如果我们仅仅用默认方式执行，valgrind只报告内存泄漏，但没有显示具体代码中泄漏的地方，因此我们需要使用“--leak-check=full”选项