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，如内存泄漏、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，并且支持下多种处理器架构。
二、Valgrind 的使用
2.1 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，它用于检查内存相关的错误。
-–gen-suppressions=all：误报是内存泄漏排查中的常见现象。使用该参数，我们可以标记那些误报，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：显示所有的内存泄漏信息。
–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泄漏。它将会列出程序中存在的任何未释放的内存。（还有一种写法：--leak-check=full，意思是一样的）
./your_app：这里应该是你要检查的可执行文件的路径。将 your_app 替换为你的程序的实际名称。
arg1 arg2…：这些是你的程序可能需要的命令行参数。用空格分隔，替换为你程序实际需要的参数。
2.2 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、分析和性能优化任务。
以下是 Valgrind 工具集中一些常用的工具：
Memcheck：这是 Valgrind 最常用的工具之一，用于检测程序中的内存错误，例如内存泄漏、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行为，帮助优化程序的缓存使用和执行路径。
Callgrind：用于程序性能分析，跟踪函数调用关系和执行次数，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，包括堆分配、释放和堆内存的快照。
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，帮助理解程序的执行路径和性能特征。
每个工具都有其特定的用途和优势，可以根据需要选择合适的工具来进行程序调试、性能优化或内存分析。
接下来主要是介绍 Memcheck 工具的使用。
2.3 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 -
内存泄漏 -
在内存被释放后进行读/写 -
内存块的尾部进行读/写
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;
}
可以看出，这里访问了一个野指针。接下来编译：
$ gcc test
然后使用 Valgrind 工具分析：
$ valgrind --tool=memcheck ./a.out
报错信息和出现错误的位置都打印了出来：
2、内存泄漏
还是先看代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(){char *p = malloc(1);*p = 'a';char c = *p;printf("\n [%c]\n", c);return 0;
}
可以看到，这里为 p 指针申请了一个地址，不过最后没有 free 掉这个地址就 return 0 了，也就是会照成内存泄漏。先编译：
$ gcc test
然后使用 Valgrind 工具分析：
$ valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./a.out
结果如下，可以看到提示信息显示 alloc 了 2 次，但却只 free 1 次，所以发生了内存泄漏，再下面是内存泄漏的详细信息。
3、在内存被释放后进行读/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;
}
编译后，用 vallgrind 查看：
$ gcc test.c
$ valgrind --tool=memcheck ./a.out
上面的代码中，我们有一个释放了内存的指针 p，然后我们又尝试利用指针获取值。从下面的输出内容可以看到，Valgrind检测到了无效的读取操作然后输出了警告"Invalid read of size 1’.
4、内存块的尾部进行读/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
可以看到，这里依旧是非法的读，因为我们只申请了 1 个字节空间：
2.4 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 ，内存在退出前没有释放
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：内存未释放
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可能会报这个错误 。
possibly：可能丢失。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，未丢失但也未释放。如果程序是正常结束的，那么它可能不会造成程序崩溃，但长时间运行有可能耗尽系统资源。
suppressed：已被解决。出现了内存泄露但系统自动处理了。可以无视这类错误。
invalid free()/delete/delete[]：同一指针被多次释放
source and destination overlay：一般是使用strncpy,memcpy引起
syscall param contains uninitialized byte：调用系统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、分析内存泄漏的使用技巧
3.1 Valgrind 协调 GDB 工作
在 Linux 内存泄漏的排查过程中，Valgrind 和 GDB 的结合使用是一种强大的调试策略。Valgrind 能够帮助我们发现程序中的内存泄漏，而 GDB 则允许我们深入程序的执行，查看变量和内存状态，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。这样，我们可以在程序执行到可能出现内存泄漏的地方时，立即进行检查。
下面是操作流程：
1、启动 Valgrind，带有 GDB调试支持：
$ valgrind --tool=memcheck --vgdb=yes --vgdb-error=0 ./a.out
2、当 Valgrind 报告内存错误时，它会暂停程序执行。
3、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
4、然后就可以使用 GDB 的调试命令了，我们可以检查导致错误的代码行，查看变量的值和内存的状态。
3.2 利用 /proc 定位问题
Linux 的 /proc 文件系统包含了系统运行时的各种信息，其中也包括了进程的内存映射情况。
通过分析 /proc/[pid]/maps 文件，我们可以得知进程的内存分配情况，这对于定位内存泄漏非常有用。
每个进程的 /proc/[pid]/maps 文件都记录了该进程的内存映射。我们可以通过以下命令查看特定进程的内存映射：
$ cat /proc/[pid]/maps
[pid]需要替换为我们怀疑存在内存泄漏的进程ID。通过分析这个文件，我们可以看到进程的内存分配情况，包括哪些库文件被加载，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。
设备：表示关联的设备。
节点：表示文件系统中的节点号。
路径：表示映射到的文件路径，如果是 [heap] 则表示堆内存区域。
如果发生内存泄漏，表格中的某些行会显示出异常的模式，特别是在堆或者可能的匿名映射（通常是堆或栈的扩展）区域。
以下是一些可能表明内存泄漏的情况：
堆内存增长：如果 [heap] 区域的地址范围随时间不断增长，这可能表明堆内存正在泄漏。
频繁的小块分配：大量小块内存分配并且没有对应的释放，可能会在表格中显示为许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）可能是动态分配内存未被释放的迹象。
比如，下列数据展示了可能的内存泄漏的情况：
02557000-03578000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
...
7ff3c8c00000-7ff3c8e21000 rw-p 00000000 00:00 0
在这个例子中，我们看到：
[heap] 区域的大小异常，表明可能有大量的内存分配没有得到释放。
存在连续的 rw-p 权限的匿名映射，这些可能是由于内存分配（如 malloc 或 new）造成的，如果这些区域的大小不断增长，且没有相应的释放，那么很可能是内存泄漏的地方。
3.3 使用 top、ps 识别异常进程
1、 使用 top
$ top -o %MEM
这个命令会将进程按内存使用率进行排序，帮助我们更快地定位到内存使用异常的进程。
在使用 top 命令观察进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）。
内存泄漏通常表现为随着时间的推移，这两个值会不断增加。
内存使用量（RES）：进程实际使用的物理内存大小。如果一个进程存在内存泄漏，我们会看到 RES 值不断上升，即使在没有新的活动产生时也是如此。这是因为泄漏的内存没有被操作系统回收，从而导致物理内存的持续占用。
虚拟内存使用量（VIRT）：包括进程使用的所有内存，不仅包括RES，还包括进程未使用但已分配的内存。内存泄漏会导致VIRT值不断增加，这是因为进程请求了更多的内存，但并未释放。
2、 使用 ps
我们可以使用 ps 命令的 -o 选项来自定义输出，以便专注于内存相关的信息。例如：
$ ps -eo pid,ppid,cmd,%mem,%cpu --sort=-%mem
这个命令将列出所有进程，并按内存使用率降序排列，显示每个进程的 PID、PPID、命令行、内存使用率和 CPU 使用率。
结合历史数据，我们可以分析进程的内存使用趋势。通过定期记录 ps 命令的输出，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泄漏的长期趋势。
#! /bin/sh
while true; do ps -eo pid,cmd,%mem,%cpu --sort=-%mem | head -n 10 >> memory_usage.log; sleep 60;
done
这段脚本会每分钟记录内存使用最高的 10 个进程，并将结果追加到 memory_usage.log 文件中。
原创 Linux开发架构之路
