1.1、基本概念

Valgrind是一个GPL的软件，用于Linux（For x86, amd64 and ppc32）程序的内存调试和代码剖析。你可以在它的环境中运行你的程序来监视内存的使用情况，比如C 语言中的malloc和free或者 C++中的new和 delete。使用Valgrind的工具包，你可以自动的检测许多内存管理和线程的bug，避免花费太多的时间在bug寻找上，使得你的程序更加稳固。

安装Valgrind

//valgrind下载：http://valgrind.org/downloads/valgrind-3.12.0.tar.bz2valgrind安装：1. tar -jxvf valgrind-3.12.0.tar.bz22. cd valgrind-3.12.03. ./configure4. make5. sudo make install

应用环境：Linux

编程语言：C/C++

使用方法：编译时加上-g选项，如 gcc -g filename.c -o filename,使用如下命令检测内存使用情况：

最常用的命令格式：valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./testvalgrind --tool=memcheck --leak-check=full --show-reachable=yes --trace-children=yes  ./filename其中--leak-check=full指的是完全检查内存泄漏，--show-reachable=yes是显示内存泄漏的地点，--trace-children=yes是跟入子进程。

如果您的程序是会正常退出的程序，那么当程序退出的时候valgrind自然会输出内存泄漏的信息。如果您的程序是个守护进程，那么也不要紧，我们只要在别的终端下杀死memcheck进程（因为valgrind默认使用memcheck工具，就是默认参数--tools=memcheck）

参数选择

-tool=
   
     最常用的选项。运行 valgrind中名为toolname的工具。默认memcheck。        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    -h –help 显示帮助信息。    -version 显示valgrind内核的版本，每个工具都有各自的版本。    -q –quiet 安静地运行，只打印错误信息。    -v –verbose 更详细的信息, 增加错误数统计。    -trace-children=no|yes 跟踪子线程? [default: no]    -track-fds=no|yes 跟踪打开的文件描述？[default: no]    -time-stamp=no|yes 增加时间戳到LOG信息? [default: no]    -log-fd=
    
      输出LOG到描述符文件 [2=stderr]    -log-file=
     
       将输出的信息写入到filename.PID的文件里，PID是运行程序的进行ID    -log-file-exactly=
      
        输出LOG信息到 file    -log-file-qualifier=
        取得环境变量的值来做为输出信息的文件名。 [none]    -log-socket=ipaddr:port 输出LOG到socket ，ipaddr:portLOG信息输出    -xml=yes 将信息以xml格式输出，只有memcheck可用    -num-callers=
        
          show 
         
           callers in stack traces [12] -error-limit=no|yes 如果太多错误，则停止显示新错误? [yes] -error-exitcode=
          
            如果发现错误则返回错误代码 [0=disable] -db-attach=no|yes 当出现错误，valgrind会自动启动调试器gdb。[no] -db-command=
            启动调试器的命令行选项[gdb -nw %f %p]

设计思路：根据软件的内存操作维护一个有效地址空间表和无效地址空间表（进程的地址空间）

1.2、多个工具

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，Memcheck 工具主要检查下面的程序错误

能够检测：
- 使用未初始化的内存 (Use of uninitialised memory)
- 使用已经释放了的内存 (Reading/writing memory after it has been free’d)
- 使用超过 malloc分配的内存空间(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)
- 对堆栈的非法访问 (Reading/writing inappropriate areas on the stack)
- 申请的空间是否有释放 (Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)
- malloc/free/new/delete申请和释放内存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])
- src和dst的重叠(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)
- 重复free

Callgrind

和gprof类似的分析工具，但它对程序的运行观察更是入微，能给我们提供更多的信息。和gprof不同，它不需要在编译源代码时附加特殊选项，但加上调试选项是推荐的。Callgrind收集程序运行时的一些数据，建立函数调用关系图，还可以有选择地进行cache模拟。在运行结束时，它会把分析数据写入一个文件。callgrind_annotate可以把这个文件的内容转化成可读的形式。

Cachegrind

Cache分析器，它模拟CPU中的一级缓存I1，Dl和二级缓存，能够精确地指出程序中cache的丢失和命中。如果需要，它还能够为我们提供cache丢失次数，内存引用次数，以及每行代码，每个函数，每个模块，整个程序产生的指令数。这对优化程序有很大的帮助。

Helgrind

它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。Helgrind寻找内存中被多个线程访问，而又没有一贯加锁的区域，这些区域往往是线程之间失去同步的地方，而且会导致难以发掘的错误。Helgrind实现了名为“Eraser”的竞争检测算法，并做了进一步改进，减少了报告错误的次数。不过，Helgrind仍然处于实验阶段。

Massif

堆栈分析器，它能测量程序在堆栈中使用了多少内存，告诉我们堆块，堆管理块和栈的大小。Massif能帮助我们减少内存的使用，在带有虚拟内存的现代系统中，它还能够加速我们程序的运行，减少程序停留在交换区中的几率。

1.3、使用原理

在这里插入图片描述

Memcheck 能够检测出内存问题，关键在于其建立了两个全局表。

1、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。

2、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。