valgrind通常用來成分析程序性能及程序中的內存泄露錯誤
一 Valgrind工具集簡紹
Valgrind包含下列工具：
1、memcheck：檢查程序中的內存問題，如泄漏、越界、非法指針等。
2、callgrind：檢測程序代碼的運行時間和調用過程，以及分析程序性能。
3、cachegrind：分析CPU的cache命中率、丟失率，用於進行代碼優化。
4、helgrind：用於檢查多線程程序的競態條件。
5、massif：堆棧分析器，指示程序中使用了多少堆內存等信息。
6、lackey：
7、nulgrind：
這幾個工具的使用是通過命令：valgrand --tool=name 程序名來分別調用的，當不指定tool參數時默認是 --tool=memcheck
二 Valgrind工具詳解
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能在這里幫上大忙。
例如：
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <string.h>
void test()
{
int *ptr = malloc(sizeof(int)*10);
ptr[10] = 7; // 內存越界
memcpy(ptr +1, ptr, 5); // 踩內存
free(ptr);
free(ptr);// 重復釋放
int *p1;
*p1 = 1; // 非法指針
}
int main(void)
{
test();
return 0;
}
將程序編譯生成可執行文件后執行：valgrind --leak-check=full ./程序名
輸出結果如下：
==4832== Memcheck, a memory error detector
==4832== Copyright (C) 2002-2010, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==4832== Using Valgrind-3.6.1 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==4832== Command: ./tmp
==4832==
==4832== Invalid write of size 4 // 內存越界
==4832== at 0x804843F: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== Address 0x41a6050 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd
==4832== at 0x4026864: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
==4832== by 0x8048435: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832==
==4832== Source and destination overlap in memcpy(0x41a602c, 0x41a6028, 5) // 踩內存
==4832== at 0x4027BD6: memcpy (mc_replace_strmem.c:635)
==4832== by 0x8048461: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832==
==4832== Invalid free() / delete / delete[] // 重復釋放
==4832== at 0x4025BF0: free (vg_replace_malloc.c:366)
==4832== by 0x8048477: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== Address 0x41a6028 is 0 bytes inside a block of size 40 free'd
==4832== at 0x4025BF0: free (vg_replace_malloc.c:366)
==4832== by 0x804846C: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832==
==4832== Use of uninitialised value of size 4 // 非法指針
==4832== at 0x804847B: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832==
==4832==
==4832== Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV) //由於非法指針賦值導致的程序崩潰
==4832== Bad permissions for mapped region at address 0x419FFF4
==4832== at 0x804847B: test (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832== by 0x804848D: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/tmp)
==4832==
==4832== HEAP SUMMARY:
==4832== in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==4832== total heap usage: 1 allocs, 2 frees, 40 bytes allocated
==4832==
==4832== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==4832==
==4832== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==4832== Use --track-origins=yes to see where uninitialised values come from
==4832== ERROR SUMMARY: 4 errors from 4 contexts (suppressed: 11 from 6)
Segmentation fault
從valgrind的檢測輸出結果看，這幾個錯誤都找了出來。
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。
生成可視化的圖形需要下載gprof2dot：http://jrfonseca.googlecode.com/svn/trunk/gprof2dot/gprof2dot.py
這是個python腳本，把它下載之后修改其權限chmod +7 gprof2dot.py ，並把這個腳本添加到$PATH路徑中的任一文件夾下，我是將它放到了/usr/bin目錄下，這樣就可以直接在終端下執行gprof2dot.py了。
Callgrind可以生成程序性能分析的圖形，首先來說說程序性能分析的工具吧，通常可以使用gnu自帶的gprof，它的使用方法是：在編譯程序時添加-pg參數，例如：
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
void test()
{
sleep(1);
}
void f()
{
int i;
for( i = 0; i < 5; i ++)
test();
}
int main()
{
f();
printf("process is over!\n");
return 0;
}
首先執行 gcc -pg -o tmp tmp.c，然后運行該程序./tmp，程序運行完成后會在當前目錄下生成gmon.out文件（這個文件gprof在分析程序時需要），
再執行gprof ./tmp | gprof2dot.py |dot -Tpng -o report.png，打開report.png結果：
顯示test被調用了5次，程序中耗時所占百分比最多的是test函數。
再來看 Callgrind的生成調用圖過程吧，執行：valgrind --tool=callgrind ./tmp，執行完成后在目錄下生成"callgrind.out.XXX"的文件這是分析文件，可以直接利用：callgrind_annotate callgrind.out.XXX 打印結果，也可以使用：gprof2dot.py -f callgrind callgrind.out.XXX |dot -Tpng -o report.png 來生成圖形化結果:
它生成的結果非常詳細，甚至連函數入口，及庫函數調用都標識出來了。
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。
作一下廣告：valgrind自身利用該工具在過去幾個月內使性能提高了25%-30%。據早先報道，kde的開發team也對valgrind在提高kde性能方面的幫助表示感謝。
它的使用方法也是：valgrind --tool=cachegrind 程序名，
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。
首先舉一個競態的例子吧：
#include <stdio.h> #include <pthread.h>
#define NLOOP 50
int counter = 0; /* incremented by threads */
void *threadfn(void *); int main(int argc, char **argv) { pthread_t tid1, tid2,tid3; pthread_create(&tid1, NULL, &threadfn, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, &threadfn, NULL); pthread_create(&tid3, NULL, &threadfn, NULL); /* wait for both threads to terminate */ pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); pthread_join(tid3, NULL); return 0; } void *threadfn(void *vptr) { int i, val; for (i = 0; i < NLOOP; i++) { val = counter; printf("%x: %d \n", (unsigned int)pthread_self(), val+1); counter = val+1; } return NULL; }
這段程序的競態在30~32行，我們想要的效果是3個線程分別對全局變量累加50次，最后全局變量的值為150，由於這里沒有加鎖，很明顯競態使得程序不能達到我們的目標。我們來看Helgrind是如何幫我們檢測到競態的。先編譯程序：gcc -o test thread.c -lpthread ，然后執行:valgrind --tool=helgrind ./test 輸出結果如下:
49c0b70: 1
49c0b70: 2
==4666== Thread #3 was created
==4666== at 0x412E9D8: clone (clone.S:111)
==4666== by 0x40494B5: pthread_create@@GLIBC_2.1 (createthread.c:256)
==4666== by 0x4026E2D: pthread_create_WRK (hg_intercepts.c:257)
==4666== by 0x4026F8B: pthread_create@* (hg_intercepts.c:288)
==4666== by 0x8048524: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
==4666==
==4666== Thread #2 was created
==4666== at 0x412E9D8: clone (clone.S:111)
==4666== by 0x40494B5: pthread_create@@GLIBC_2.1 (createthread.c:256)
==4666== by 0x4026E2D: pthread_create_WRK (hg_intercepts.c:257)
==4666== by 0x4026F8B: pthread_create@* (hg_intercepts.c:288)
==4666== by 0x8048500: main (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
==4666==
==4666== Possible data race during read of size 4 at 0x804a028 by thread #3
==4666== at 0x804859C: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
==4666== by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
==4666== by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
==4666== by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
==4666== This conflicts with a previous write of size 4 by thread #2
==4666== at 0x80485CA: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
==4666== by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
==4666== by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
==4666== by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
==4666==
==4666== Possible data race during write of size 4 at 0x804a028 by thread #2
==4666== at 0x80485CA: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
==4666== by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
==4666== by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
==4666== by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
==4666== This conflicts with a previous read of size 4 by thread #3
==4666== at 0x804859C: threadfn (in /home/yanghao/Desktop/testC/testmem/a.out)
==4666== by 0x4026F60: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:221)
==4666== by 0x4048E98: start_thread (pthread_create.c:304)
==4666== by 0x412E9ED: clone (clone.S:130)
==4666==
49c0b70: 3
......
55c1b70: 51
==4666==
==4666== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==4666== Use --history-level=approx or =none to gain increased speed, at
==4666== the cost of reduced accuracy of conflicting-access information
==4666== ERROR SUMMARY: 8 errors from 2 contexts (suppressed: 99 from 31)
helgrind成功的找到了競態的所在位置，標紅所示。
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。
Massif對內存的分配和釋放做profile。程序開發者通過它可以深入了解程序的內存使用行為，從而對內存使用進行優化。這個功能對C++尤其有用，因為C++有很多隱藏的內存分配和釋放。
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。
三 使用Valgrind
Valgrind使用起來非常簡單，你甚至不需要重新編譯你的程序就可以用它。當然如果要達到最好的效果，獲得最准確的信息，還是需要按要求重新編譯一下的。比如在使用memcheck的時候，最好關閉優化選項。
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=<toolname> [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=<yes|no> [default: no]
綁定到調試器上，便於調試錯誤。