Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具

Linux下编写C或者C++程序，有很多工具，但是主要编译器仍然是gcc和g++。最近用到STL中的List编程，为了检测写的代码是否会发现内存泄漏，了解了一下相关的知识。

所有使用动态内存分配(dynamic memory allocation)的程序都有机会遇上内存泄露(memory leakage)问题，在Linux里有三种常用工具来检测内存泄露的情況，包括：

参见 http://elinux.org/Memory_Debuggers

工具	描述
valgrind	一个强大开源的程序检测工具
mtrace	GNU扩展, 用来跟踪malloc, mtrace为内存分配函数（malloc, realloc, memalign, free）安装hook函数
dmalloc	用于检查C/C++内存泄露(leak)的工具，即检查是否存在直到程序运行结束还没有释放的内存,以一个运行库的方式发布
memwatch	和dmalloc一样，它能检测未释放的内存、同一段内存被释放多次、位址存取错误及不当使用未分配之内存区域
mpatrol	一个跨平台的 C++ 内存泄漏检测器
dbgmem
Electric Fence

1 被测程序

为了方便测试,,我们编写了一个简单的程序, 循环10次每次申请了一个100个字节的单元, 但是却不释放

2 valgrind

2.1 valgrind介绍

是不是说没有一种内存检查工具能够在Linux使用呢，也不是，像开源的valgrind工具还是相当不错的

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。这也是本文将重点介绍的部分。

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

主页	下载
valgrind	downloads

参照

Valgrind简单用法

Unix下C程序内存泄漏检测工具Valgrind安装与使用

valgrind 的使用简介

应用 Valgrind 发现 Linux 程序的内存问题

如何使用Valgrind memcheck工具进行C/C++的内存泄漏检测

2.2 安装

源码安装

到下载地址)下载最新版的valgrind,按照里面的README提示，安装后就可以使用这个工具来检测内存泄露和内存越界等

/configure

make

sudo make install

当然也可以使用发行版的自带的源中安装

sudo apt install valgrind

这是一个没有界面的内存检测工具，安装后，输入 valgrind ls -l 验证一下该工具是否工作正常（这是README里面的方法，实际上是验证一下对ls -l命令的内存检测），如果你看到一堆的信息说明你的工具可以使用了。

2.3 使用说明

Valgrind工具包包含多个工具，如Memcheck,Cachegrind,Helgrind, Callgrind，Massif。

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

内容	描述
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

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

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。

此外，lackey和nulgrind也会提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是为开发者展示如何创建一个工具

注意

Valgrind不检查静态分配数组的使用情况

Valgrind占用了更多的内存–可达两倍于你程序的正常使用量

如果你用Valgrind来检测使用大量内存的程序就会遇到问题，它可能会用很长的时间来运行测试

2.4 使用说明

编译程序

g++ -g -o leak leak.c

被检测程序加入 –g -fno-inline 编译选项保留调试信息, 否则后面的valgrind不能显示到出错行号。

valgrind被设计成非侵入式的，它直接工作于可执行文件上，因此在检查前不需要重新编译、连接和修改你的程序。要检查一个程序很简单，只需要执行下面的命令就可以了。

valgrind --tool=tool_name program_name

比如我们要对ls -l命令做内存检查，只需要执行下面的命令就可以了

valgrind --tool=memcheck ls -l

小提示

如果不知道有哪些参数, 可以先输入valgrind –tool=, 然后狂按两次tab, 会输出linux系统的只能提示, 同样,如果你输入了valgrind –tool=mem再狂按两次tab,linux系统会为你自动补全

2.5 使用valgrind检测Memcheck

下面我们就可以用valgrind对我们的程序检测leak

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full --show-reachable=yes --trace-children=yes    ./leak

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。

当程序正常退出的时候valgrind自然会输出内存泄漏的信息原理：

3 mtrace检测内存泄露

3.1 mtrace简介

在一般的linux发行版中，有一个自带的工具可以很方便的替你完成这些事，这个工具就是mtrace.

mtrace其实是GNU扩展函数，用来跟踪malloc。

mtrace为内存分配函数（malloc, realloc, memalign, free）安装hook函数。这些hook函数记录内存的申请和释放的trace信息。

在程序中，这些trace信息可以被用来发现内存泄漏和释放不是申请的内存。

当调用mtrace，mtrace会检查环境变量MALLOC_TRACE。该环境变量应该包含记录trace信息的文件路径。如果文件可以被成功打开，它的大小被截断为0。

如果MALLOC_TRACE没有设置，或者设置的文件不可用或者不可写，那么将不会安装hook函数，mtrace不生效。

详细说明可参考man page：man 3 mtrace

3.2 mtrace使用

mtrace能监测程序是否内存泄露

在程序的起始处包含头文件

#include <mcheck.h>

更改环境变量：export MALLOC_TRACE=”mtrace.out”可以加入如下代码

setenv("MALLOC_TRACE", "mtrace.out", 1);

调用函数mtrace()

mtrace()

编译程序带上 -g 选项

gcc -g -c leak_mtrace.c -o leak_mtrace.o  -std=gnu9x -Wall

运行程序一次，尽量调用所有程序内的函数。这时调试信息就已经被写入我们指定的mtrace.out文件中

./leak_mtrace

mtrace a.out mtrace.out查看内存监测情况

mtrace a.out  mtrace.out

4 dmalloc

dmalloc是一种用于检查C/C++内存泄露(leak)的工具，即检查是否存在直到程序运行结束还没有释放的内存，并且能够精确指出在哪个源文件的第几行。