valgrind的callgrind工具進行多線程性能分析

Valgrind的主要作者Julian Seward剛獲得了今年的Google-O'Reilly開源大獎之一──Best Tool Maker。讓我們一起來看一下他的作品。Valgrind是運行在Linux上一套基於仿真技術的程序調試和分析工具，它包含一個內核──一個軟件合成的CPU，和一系列的小工具，每個工具都可以完成一項任務──調試，分析，或測試等。Valgrind可以檢測內存泄漏和內存違例，還可以分析cache的使用等，靈活輕巧而又強大，能直穿程序錯誤的心臟，真可謂是程序員的瑞士軍刀。 
一. Valgrind概觀 
Valgrind的最新版是3.2.0，它一般包含下列工具： 
1.Memcheck 
最常用的工具，用來檢測程序中出現的內存問題，所有對內存的讀寫都會被檢測到，一切對malloc()/free()/new/delete的調用都會被捕獲。所以，它能檢測以下問題： 
1.對未初始化內存的使用； 
2.讀/寫釋放后的內存塊； 
3.讀/寫超出malloc分配的內存塊； 
4.讀/寫不適當的棧中內存塊； 
5.內存泄漏，指向一塊內存的指針永遠丟失； 
6.不正確的malloc/free或new/delete匹配； 
7,memcpy()相關函數中的dst和src指針重疊。 
這些問題往往是C/C++程序員最頭疼的問題，Memcheck在這里幫上了大忙。 

2.Callgrind 
和gprof類似的分析工具，但它對程序的運行觀察更是入微，能給我們提供更多的信息。和gprof不同，它不需要在編譯源代碼時附加特殊選項，但加上調試選項是推薦的。Callgrind收集程序運行時的一些數據，建立函數調用關系圖，還可以有選擇地進行cache模擬。在運行結束時，它會把分析數據寫入一個文件。callgrind_annotate可以把這個文件的內容轉化成可讀的形式。 

3.Cachegrind 
Cache分析器，它模擬CPU中的一級緩存I1，Dl和二級緩存，能夠精確地指出程序中cache的丟失和命中。如果需要，它還能夠為我們提供cache丟失次數，內存引用次數，以及每行代碼，每個函數，每個模塊，整個程序產生的指令數。這對優化程序有很大的幫助。 

4.Helgrind 
它主要用來檢查多線程程序中出現的競爭問題。Helgrind尋找內存中被多個線程訪問，而又沒有一貫加鎖的區域，這些區域往往是線程之間失去同步的地方，而且會導致難以發掘的錯誤。Helgrind實現了名為“Eraser”的競爭檢測算法，並做了進一步改進，減少了報告錯誤的次數。不過，Helgrind仍然處於實驗階段。 

5. Massif 
堆棧分析器，它能測量程序在堆棧中使用了多少內存，告訴我們堆塊，堆管理塊和棧的大小。Massif能幫助我們減少內存的使用，在帶有虛擬內存的現代系統中，它還能夠加速我們程序的運行，減少程序停留在交換區中的幾率。 
此外，lackey和nulgrind也會提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是為開發者展示如何創建一個工具。我們就不做介紹了。 

二. 使用Valgrind 
Valgrind的使用非常簡單，valgrind命令的格式如下： 
valgrind [valgrind-options] your-prog [your-prog options] 
一些常用的選項如下： 
選項 
作用 
-h --help 
顯示幫助信息。 
--version 
顯示valgrind內核的版本，每個工具都有各自的版本。 
-q --quiet 
安靜地運行，只打印錯誤信息。 
-v --verbose 
打印更詳細的信息。 
--tool= [default: memcheck] 
最常用的選項。運行valgrind中名為toolname的工具。如果省略工具名，默認運行memcheck。 
--db-attach= [default: no] 
綁定到調試器上，便於調試錯誤。 
我們通過例子看一下它的具體使用。我們構造一個存在內存泄漏的C程序，如下： 
#include 
#include 
void f(void) 
{ 
int* x = malloc(10 * sizeof(int)); 
x[10] = 0; // problem 1: heap block overrun 
} // problem 2: memory leak -- x not freed 
int main(void) 
{ 
int i; 
f(); 
printf("i=%d/n",i); //problem 3: use uninitialised value. 
return 0; 
} 
保存為memleak.c並編譯，然后用valgrind檢測。 
$ gcc -Wall -o memleak memleak.c 
$ valgrind --tool=memcheck ./memleak 
我們得到如下錯誤信息： 
==3649== Invalid write of size 4 
==3649== at 0x80483CF: f (in /home/wangcong/memleak) 
==3649== by 0x80483EC: main (in /home/wangcong/memleak) 
==3649== Address 0x4024050 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd 
==3649== at 0x40051F9: malloc (vg_replace_malloc.c:149) 
==3649== by 0x80483C5: f (in /home/wangcong/memleak) 
==3649== by 0x80483EC: main (in /home/wangcong/memleak) 
前面的3649是程序運行時的進程號。第一行是告訴我們錯誤類型，這里是非法寫入。下面的是告訴我們錯誤發生的位置，在main()調用的f()函數中。 
==3649== Use of uninitialised value of size 4 
==3649== at 0xC3A264: _itoa_word (in /lib/libc-2.4.so) 
==3649== by 0xC3E25C: vfprintf (in /lib/libc-2.4.so) 
==3649== by 0xC442B6: printf (in /lib/libc-2.4.so) 
==3649== by 0x80483FF: main (in /home/wangcong/memleak) 
這個錯誤是使用未初始化的值，在main()調用的printf()函數中。這里的函數調用關系是通過堆棧跟蹤的，所以有時會非常多，尤其是當你使用C++的STL時。其它一些錯誤都是由於把未初始化的值傳遞給libc函數而被檢測到。在程序運行結束后，valgrind還給出了一個小的總結： 
==3649== ERROR SUMMARY: 20 errors from 6 contexts (suppressed: 12 from 1) 
==3649== malloc/free: in use at exit: 40 bytes in 1 blocks. 
==3649== malloc/free: 1 allocs, 0 frees, 40 bytes allocated. 
==3649== For counts of detected errors, rerun with: -v 
==3649== searching for pointers to 1 not-freed blocks. 
==3649== checked 47,256 bytes. 
==3649== 
==3649== LEAK SUMMARY: 
==3649== definitely lost: 40 bytes in 1 blocks. 
==3649== possibly lost: 0 bytes in 0 blocks. 
==3649== still reachable: 0 bytes in 0 blocks. 
==3649== suppressed: 0 bytes in 0 blocks. 
==3649== Use --leak-check=full to see details of leaked memory. 
我們可以很清楚地看出，分配和釋放了多少內存，有多少內存泄漏。這對我們查找內存泄漏十分方便。然后我們重新編譯程序並綁定調試器： 
$ gcc -Wall -ggdb -o memleak memleak.c 
$ valgrind --db-attach=yes --tool=memcheck ./memleak 
一出現錯誤，valgrind會自動啟動調試器（一般是gdb）： 
==3893== ---- Attach to debugger ? --- [Return/N/n/Y/y/C/c] ---- y 
starting debugger 
==3893== starting debugger with cmd: /usr/bin/gdb -nw /proc/3895/fd/1014 3895 
退出gdb后我們又能回到valgrind繼續執行程序。 
還是用上面的程序，我們使用callgrind來分析一下它的效率： 
$ valgrind --tool=callgrind ./memleak 
Callgrind會輸出很多，而且最后在當前目錄下生成一個文件： callgrind.out.pid。用callgrind_annotate來查看它： 
$ callgrind_annotate callgrind.out.3949 
詳細的信息就列出來了。而且，當callgrind運行你的程序時，你還可以使用callgrind_control來觀察程序的執行，而且不會干擾它的運行。 
再來看一下cachegrind的表現： 
$ valgrind --tool=cachegrind ./memleak 
得到如下信息： 
==4073== I refs: 147,500 
==4073== I1 misses: 1,189 
==4073== L2i misses: 679 
==4073== I1 miss rate: 0.80% 
==4073== L2i miss rate: 0.46% 
==4073== 
==4073== D refs: 61,920 (46,126 rd + 15,794 wr) 
==4073== D1 misses: 1,759 ( 1,545 rd + 214 wr) 
==4073== L2d misses: 1,241 ( 1,062 rd + 179 wr) 
==4073== D1 miss rate: 2.8% ( 3.3% + 1.3% ) 
==4073== L2d miss rate: 2.0% ( 2.3% + 1.1% ) 
==4073== 
==4073== L2 refs: 2,948 ( 2,734 rd + 214 wr) 
==4073== L2 misses: 1,920 ( 1,741 rd + 179 wr) 
==4073== L2 miss rate: 0.9% ( 0.8% + 1.1% ) 
上面的是指令緩存，I1和L2i緩存，的訪問信息，包括總的訪問次數，丟失次數，丟失率。 
中間的是數據緩存，D1和L2d緩存，的訪問的相關信息，下面的L2緩存單獨的信息。Cachegrind也生成一個文件，名為cachegrind.out.pid，可以通過cg_annotate來讀取。輸出是一個更詳細的列表。Massif的使用和cachegrind類似，不過它也會生成一個名為massif.pid.ps的PostScript文件，里面只有一幅描述堆棧使用狀況的彩圖。 
以上只是簡單的演示了valgrind的使用，更多的信息可以在它附帶的文檔中得到，也可以訪問valgrind的主頁：http://www.valgrind.org。學會正確合理地使用valgrind對於調試程序會有很大的幫助

 

 

 

使用valgrind的callgrind工具進行多線程性能分析

 

valgrind是開源的性能分析利器。 根據它的文檔，可以用它來檢查內存泄漏等問題，還可以用來生成函數的調用圖，就這兩個功能就足夠有吸引力了。

本文主要是介紹如何使用valgrind的callgrind工具進行性能分析。

分析過程

使用callgrind工具生成性能分析數據

命令格式如下：

valgrind --tool=callgrind ./exproxy

其中 ./exproxy就是我們要分析的程序。執行完畢后，就會在當前目錄下生成一個文件。文件名為“callgrind.out.進程號”。如，callgrind.out.31113。注意，對於daemon進程的調試，不要通過kill -9方式停止。

如果你調試的程序是多線程，你也可以在命令行中加一個參數 -separate-threads=yes。這樣就會為每個線程單獨生成一個性能分析文件。如下：

valgrind --tool=callgrind --separate-threads=yes ./exproxy

生成的文件除了callgrind.out.31113外，還會多出一些子線程的文件。文件名如下：

callgrind.out.31113-01    callgrind.out.31113-02    callgrind.out.31113-03

把callgrind生成的性能數據轉換成dot格式數據

可以使用gprof2dot.py腳本，把callgrind生成的性能分析數據轉換成dot格式的數據。方便使用dot把分析數據圖形化。

腳本可以 點此下載 。腳本使用方式如下：

python gprof2dot.py -f callgrind -n10 -s callgrind.out.31113 > valgrind.dot

使用dot把數據生成圖片

命令格式如下：

dot -Tpng valgrind.dot -o valgrind.png

生成的圖片示例

通過圖形，我們可以很直觀的知道那段程序執行慢，並且了解相關調用關系

[root@localhost uu]# cat kk.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
void f1() {
  int i;
  int *p;
  for (i = 0; i < 10; i++) {
    p = malloc(sizeof(int));
    *p = 10;
    free(p);
  }
}
 
void f2() {
  int i;
  int *p;
  for (i = 0; i < 20; i++) {
    p = malloc(sizeof(int));
    *p = 10;
    free(p);
  }
}
 
void f3() {
  int i;
  int *p;
  for (i = 0; i < 30; i++) {
    p = malloc(sizeof(int));
    *p = 10;
    free(p);
  }
}
 
int main() {
  int i;
 
  for (i = 0; i < 1000; i++) {
    f1();
    f2();
    f3();
  }
 
  return 0;
}



gcc -g kk.c -okk

[root@localhost uu]# valgrind --tool=callgrind ./kk --dump-instr=yes --trace-jump=yes
==4798== Callgrind, a call-graph generating cache profiler
==4798== Copyright (C) 2002-2009, and GNU GPL'd, by Josef Weidendorfer et al.
==4798== Using Valgrind-3.5.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==4798== Command: ./kk --dump-instr=yes --trace-jump=yes
==4798== 
==4798== For interactive control, run 'callgrind_control -h'.
==4798== 
==4798== Events    : Ir
==4798== Collected : 11648419
==4798== 
==4798== I   refs:      11,648,419

[root@localhost uu]# ll
總用量 44
-rw------- 1 root root 26499 Jul  4 21:01 callgrind.out.4798
-rwxr-xr-x 1 root root  9289 Jul  4 20:48 kk
-rw-r--r-- 1 root root   516 Jul  4 20:48 kk.c

 

 

把callgrind.out.4798傳到 window 7 ，

如果要時行源代碼顯示,KK.C也傳到windows 7 

用kcachegrind 打開callgrind.out.4798 ,即顯示下面圖

  LINUX： http://kcachegrind.sourceforge.net/html/Home.html

windows: https://sourceforge.net/projects/precompiledbin/files/?source=navbar