arm linux下交叉编译valgrind工具进行内存泄露检测和性能分析

C/C++等底层语言在提供强大功能及性能的同时，其灵活的内存访问也带来了各种纠结的问题。如果crash的地方正是内存使用错误的地方，说明你人品好。如果crash的地方内存明显不是consistent的，或者内存管理信息都已被破坏，编译器不能发现这些问题，.运行时才能捕获到这些错误并且还是随机出现的，那就比较麻烦了。当然，祼看code打log是一个办法，但其效率不是太高，尤其是在运行成本高或重现概率低的情况下。另外，静态检查也是一类方法，有很多工具（lint, cppcheck, klockwork, splint, etc.）。但缺点是误报很多，不适合针对性问题。另外好点的一般还要钱。最后，就是动态检查工具。下面介绍几个Linux平台下主要的运行时内存检查工具。绝大多数都是开源免费且支持x86和ARM平台的。

首先，比较常见的内存问题有下面几种：
• memory overrun：写内存越界(越界访问堆、栈和全局变量)
• double free：同一块内存释放两次
• use after free：内存释放后使用
• wild free：释放内存的参数为非法值
• access uninitialized memory：访问未初始化内存
• read invalid memory：读取非法内存，本质上也属于内存越界
• memory leak：内存泄露
• use after return：caller访问一个指针，该指针指向callee的栈内内存
• stack overflow：栈溢出

针对上面的问题，主要有以下几种方法：
1. 为了检测内存非法使用，需要hook内存分配和操作函数。hook的方法可以是用C-preprocessor，也可以是在链接库中直接定义（因为Glibc中的malloc/free等函数都是weak symbol），或是用LD_PRELOAD。另外，通过hook strcpy(),memmove()等函数可以检测它们是否引起buffer overflow。
2. 为了检查内存的非法访问，需要对程序的内存进行bookkeeping，然后截获每次访存操作并检测是否合法。bookkeeping的方法大同小异，主要思想是用shadow memory来验证某块内存的合法性。至于instrumentation的方法各种各样。有run-time的，比如通过把程序运行在虚拟机中或是通过binary translator来运行；或是compile-time的，在编译时就在访存指令时就加入检查操作。另外也可以通过在分配内存前后加设为不可访问的guard page，这样可以利用硬件(MMU)来触发SIGSEGV，从而提高速度。
3. 为了检测栈的问题，一般在stack上设置canary，即在函数调用时在栈上写magic number或是随机值，然后在函数返回时检查是否被改写。另外可以通过mprotect()在stack的顶端设置guard page，这样栈溢出会导致SIGSEGV而不至于破坏数据。

以下是几种常用工具在linux x86_64平台的实验结果，注意其它平台可能结果有差异。

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

 下面简单介绍一下这些工具以及基本用法。更详细用法请参见各自manual。

valgrind通常用来成分析程序性能及程序中的内存泄露等错误

一 Valgrind工具集介绍

Valgrind包含下列工具：

    1、memcheck：检查程序中的内存问题，如泄漏、越界、非法指针等。

    2、callgrind：检测程序代码的运行时间和调用过程，以及分析程序性能。

    3、cachegrind：分析CPU的cache命中率、丢失率，用于进行代码优化。

    4、helgrind：用于检查多线程程序的竞态条件。

    5、massif：堆栈分析器，指示程序中使用了多少堆内存等信息。

这几个工具的使用是通过命令：valgrand --tool=name 程序名来分别调用的，当不指定tool参数时默认是 --tool=memcheck

二 Valgrind工具详解

1.Memcheck

    最常用的工具，用来检测程序中出现的内存问题，所有对内存的读写都会被检测到，一切对malloc、free、new、delete的调用都会被捕获。所以，它能检测以下问题：

       1、对未初始化内存的使用；

       2、读/写释放后的内存块；

       3、读/写超出malloc分配的内存块；

       4、读/写不适当的栈中内存块；

       5、内存泄漏，指向一块内存的指针永远丢失；

       6、不正确的malloc/free或new/delete匹配；

       7、memcpy()相关函数中的dst和src指针重叠。

这些问题往往是C/C++程序员最头疼的问题，Memcheck能在这里帮上大忙。
例如：

[plain]  view plain copy

1. #include <stdlib.h>  
2. #include <malloc.h>  
3. #include <string.h>  
4.   
5. void test()  
6. {  
7.     int *ptr = malloc(sizeof(int)*10);  
8.   
9.     ptr[10] = 7; // 内存越界  
10.   
11.     memcpy(ptr +1, ptr, 5); // 踩内存