内存泄漏定位工具之 valgrind 使用

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所属分类:linux技术
摘要

        前面介绍了 GCC 自带的 mtrace 内存泄漏检查工具,该篇主要介绍开源的内存泄漏工具 valgrind,valgrind 是一套 Linux 下,开放源代码的动态调试工具集合,能够检测内存管理错误、线程 BUG 等,valgrind 由内核(core)以及基于内核的其他调试工具组成。内核类似于一个框架(framework),它模拟了一个 CPU 环境,并提供服务给其他工具;而其他工具则类似于插件 (plug-in),利用内核提供的服务完成各种特定的内存调试任务。


1 前言

        前面介绍了 GCC 自带的 mtrace 内存泄漏检查工具,该篇主要介绍开源的内存泄漏工具 valgrind,valgrind 是一套 Linux 下,开放源代码的动态调试工具集合,能够检测内存管理错误、线程 BUG 等,valgrind 由内核(core)以及基于内核的其他调试工具组成。内核类似于一个框架(framework),它模拟了一个 CPU 环境,并提供服务给其他工具;而其他工具则类似于插件 (plug-in),利用内核提供的服务完成各种特定的内存调试任务。

        该篇主要是介绍 valgrind 在联咏 NT98X 系列芯片的 ARM 平台上的编译使用及在使用过程中遇到的问题。

1.1 介绍

valgrind 包括的工具如下:

  1. 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。
  2. callgrind,主要用来检查程序中函数调用过程中出现的问题。
  3. cachegrind,主要用来检查程序中缓存使用出现的问题。
  4. helgrind,主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。
  5. massif,主要用来检查程序中堆栈使用中出现的问题。
  6. extension,可以利用core提供的功能,自己编写特定的内存调试工具。

2 编译

2.1 前期准备

1、下载 valgrind (https://www.valgrind.org/downloads/)

wget http://valgrind.org/downloads/valgrind-3.12.0.tar.bz2

2、解压缩,输入指令解压

 tar -jxvf valgrind-3.12.0.tar.bz2

3、进入解压后的目录中

cd valgrind-3.12.0

4、执行脚本

./autogen.sh

2.2 环境配置

执行脚本完成后,需要先修改 configure 脚本,将 armv7*)  改为 armv7* | arm ),然后按照下面执行(根据自己的交叉编译环境修改)

./configure --host=arm-ca9-linux-gnueabihf CC=arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc CPP=arm-ca9-linux-gnueabihf-cpp CXX=arm-ca9-linux-gnueabihf-g++ --prefix=/mnt/valgrind

其中 --prefix 设置的编译生成后的路径要保证在目标板上的路径一致,否则在实际使用时会报错,当然如果条件不允许的话,在使用前可以设置 valgrind 的环境变量解决,具体在“遇到的问题”章节中会提及。

make -j;make install

会在 --prefix 指定的目录下生成四个子目录:bin、include、lib 和 share,我们需要的 valgrind 就在其中的bin目录下。


3 使用

3.1 前期准备

        可以选择通过拷贝或者挂载的方式,但是不管哪一种,都需要将bin、include、lib 和 share 放置在 /mnt/valgrind 下(上面我设置 --prefix 的路径是 /mnt/valgrind),比如我通过挂载的方式(我已经将 /mnt/valgrind 的 bin、include 和 lib 文件夹拷贝到 /home/const/workspace/valgrind)

mount -t nfs -o nolock,tcp 192.168.1.100:/home/const/workspace/valgrind /mnt/valgrind

3.2 执行

可输入以下指令测试 valgrind 是否可以正常运行,如果出现一大堆选项解释,则表示成功

/mnt/valgrind/bin/valgrind --help

通过检查内存泄漏的问题使用(./sample为可执行程序名):

/mnt/valgrind/bin/valgrind --error-limit=no --leak-check=full --tool=memcheck ./sample

4 常见问题

4.1 编译配置期间的常见问题

1、配置 configure 时遇到类似以下问题,解决方案请参考上述中编译期间的“环境配置”,修改 configure 文件保存。

checking for a BSD-compatible install... /usr/bin/install -c checking whether build environment is sane... yes checking for arm-ca9-linux-gnueabihf-strip... no checking for strip... strip checking for a thread-safe mkdir -p... /bin/mkdir -p checking for gawk... gawk checking whether make sets $(MAKE)... yes checking whether make supports nested variables... yes checking whether to enable maintainer-specific portions of Makefiles... no checking whether ln -s works... yes checking for arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc... /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc checking whether the C compiler works... yes checking for C compiler default output file name... a.out checking for suffix of executables...  checking whether we are cross compiling... yes checking for suffix of object files... o checking whether we are using the GNU C compiler... yes checking whether /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc accepts -g... yes checking for /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc option to accept ISO C89... none needed checking whether /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc understands -c and -o together... yes checking for style of include used by make... GNU checking dependency style of /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc... gcc3 checking how to run the C preprocessor... /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-cpp checking whether we are using the GNU C++ compiler... yes checking whether /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-g++ accepts -g... yes checking dependency style of /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-g++... gcc3 checking for arm-ca9-linux-gnueabihf-ranlib... no checking for ranlib... ranlib configure: WARNING: using cross tools not prefixed with host triplet checking for a sed that does not truncate output... /bin/sed checking for ar... /usr/bin/ar checking for perl... /usr/bin/perl checking for gdb... /usr/bin/gdb checking dependency style of /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc... gcc3 checking for diff -u... yes checking for a supported version of gcc... ok (6.5.0) checking build system type... x86_64-unknown-linux-gnu checking host system type... arm-ca9-linux-gnueabihf checking for a supported CPU... no (arm) configure: error: Unsupported host architecture. Sorry

2、配置 configure 时遇到类似以下问题,原因是交叉编译工具链在环境中没有添加,checking 找不到对应路径的工具链

checking for a BSD-compatible install... /usr/bin/install -c checking whether build environment is sane... yes checking for arm-ca9-linux-gnueabihf-strip... no checking for strip... strip checking for a thread-safe mkdir -p... /bin/mkdir -p checking for gawk... gawk checking whether make sets $(MAKE)... yes checking whether make supports nested variables... yes checking whether to enable maintainer-specific portions of Makefiles... no checking whether ln -s works... yes checking for arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc... arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc checking whether the C compiler works... no configure: error: in `/home/const/workspace/Download/valgrind-3.12.0': configure: error: C compiler cannot create executables See `config.log' for more details

解决方案:除了--host 外,其他都需要绝对路径(根据自己的交叉编译链工具路径修改):

./configure --host=arm-ca9-linux-gnueabihf CC=/opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-gcc CPP=/opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-cpp CXX=/opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/bin/arm-ca9-linux-gnueabihf-g++ --prefix=/mnt/valgrind

4.2 使用期间的常见问题

1、测试 valgrind 或者使用时,出现以下错误,其原因是没有找到 valgrind 的 lib 库(不要试图修改 LD_LIBRARY_PATH,没有用)。

valgrind: failed to start tool 'memcheck' for platform 'arm-linux': No such file or directory

解决方案有两种:

  1. 按照上述编译期间环境配置中的 --prefix 的路径保证目标板上的路径一致,如果不确定可以打开 valgrind//lib/pkgconfig/valgrind.pc 文件查看,第一行的 prefix= 为编译安装后的路径
  2. 在目标板上设置 valgrind 的环境变量:export VALGRIND_LIB=/mnt/valgrind/lib/valgrind(根据自己存放的 valgrind 路径修改)

2、使用时出现 ld-linux-armhf.so.3 的错误,原因是目标板上的 ld-2.29.so(ld-linux-armhf.so.3是 ld-2.29.so 的软链接)是被 stripped 后的。

# /mnt/valgrind/bin/valgrind --error-limit=no --leak-check=full --tool=memcheck /usr/local/bin/sample ==701== Memcheck, a memory error detector ==701== Copyright (C) 2002-2015, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al. ==701== Using Valgrind-3.12.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info ==701== Command: /usr/local/bin/sample ==701==   valgrind:  Fatal error at startup: a function redirection valgrind:  which is mandatory for this platform-tool combination valgrind:  cannot be set up.  Details of the redirection are: valgrind:   valgrind:  A must-be-redirected function valgrind:  whose name matches the pattern:      strcmp valgrind:  in an object with soname matching:   ld-linux-armhf.so.3 valgrind:  was not found whilst processing valgrind:  symbols from the object with soname: ld-linux-armhf.so.3 valgrind:   valgrind:  Possible fixes: (1, short term): install glibc's debuginfo valgrind:  package on this machine.  (2, longer term): ask the packagers valgrind:  for your Linux distribution to please in future ship a non- valgrind:  stripped ld.so (or whatever the dynamic linker .so is called) valgrind:  that exports the above-named function using the standard valgrind:  calling conventions for this platform.  The package you need valgrind:  to install for fix (1) is called valgrind:   valgrind:    On Debian, Ubuntu:                 libc6-dbg valgrind:    On SuSE, openSuSE, Fedora, RHEL:   glibc-debuginfo valgrind:   valgrind:  Note that if you are debugging a 32 bit process on a valgrind:  64 bit system, you will need a corresponding 32 bit debuginfo valgrind:  package (e.g. libc6-dbg:i386). valgrind:   valgrind:  Cannot continue -- exiting now.  Sorry.

        关于这个问题,网上有很多都说用 not stripped 的 ld-2.29.so 替换目标板上 /lib/ld-2.29.so ,解决方法简单,但是依旧困扰了我几天时间,因为我使用的是目标板是只读文件系统(不要问我为啥不设置成可读写的,因为工作内容限制),不能修改 /lib 的内容导致无法被替换,因此下面的方式是通过指定路径的 ld-2.29.so 来解决该问题,不要试图用环境变量 LD_PRELOAD 去优先选择 ld-2.29.so 或者 ld-linux-armhf.so.3 来执行,没有任何意义(因为 ld-2.29.so 不是一个普通的动态库,它是会使用环境变量 LD_PRELOAD,可以百度搜它们之间的关系)。

        在这几天中,试了很多方式,由于一开始的定位问题的思路错了,导致后面一直没有成功(以为只要用 not stripped 的 ld-2.29.so 去执行 valgrind 就可以了,自从解决后,回头看想想其实从之前的 valgrind --help 成功后表示 valgrind 已经是可以正常使用的了 ),而本质的问题是被检测的可执行程序才是需要被 not stripped 的 ld-2.29.so 去执行。

        通过 readelf 查看可执行文件的 ELF 信息,可以看到动态库加载器 interpreter 为 /lib/ld-linux-armhf.so.3,表示该执行程序使用的是 /lib 路径下的

ld-linux-armhf.so.3(/lib/ld-2.29.so 的软连接),那现在解决问题的思路清晰了,只要改变它就可以了。

const@const-virtual-machine:~/workspace/valgrind/bin$ readelf -l sample                                                               Elf 文件类型为 EXEC (可执行文件) Entry point 0x12d18 There are 10 program headers, starting at offset 52  程序头:   Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align   PHDR           0x000034 0x0000f034 0x0000f034 0x00140 0x00140 R   0x4   GNU_STACK      0x001000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW  0x10   LOAD           0x000000 0x0000f000 0x0000f000 0x01000 0x01000 RW  0x1000   INTERP         0x000174 0x0000f174 0x0000f174 0x00031 0x00031 R   0x1       [Requesting program interpreter: /lib/ld-linux-armhf.so.3]   LOAD           0x001000 0x00010000 0x00010000 0x08148 0x08148 R E 0x1000   NOTE           0x001170 0x00010170 0x00010170 0x00020 0x00020 R   0x4   EXIDX          0x008eac 0x00017eac 0x00017eac 0x00298 0x00298 R   0x4   LOAD           0x009e70 0x00028e70 0x00028e70 0x002d4 0x002e4 RW  0x1000   GNU_RELRO      0x009e70 0x00028e70 0x00028e70 0x00190 0x00190 R   0x1   DYNAMIC        0x009ed8 0x00028ed8 0x00028ed8 0x00128 0x00128 RW  0x4

首先我们需要找到 not stripped 的 ld-2.29.so,一般在交叉编译工具链里的 target/lib 能够找到,通过以下指令可以确定

const@const-virtual-machine:/$ file /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/target/lib/ld-2.29.so  /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/target/lib/ld-2.29.so: ELF 32-bit LSB shared object, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, not stripped

比如我将这个 target 中的 lib 文件夹拷贝到挂载的指定目录下(目标板的路径则是 /mnt/valgrind/lib/target/lib)

cp -rf /opt/arm-ca9-linux-gnueabihf-6.5/target/lib /home/const/workspace/valgrind/target/lib/

解决方案有三种:

1、在编译期间,通过编译选项指定使用对应路径下的 ld-linux-armhf.so.3(是 ld-2.29.so 的软连接)进行编译,再通过 readelf 读取确认

LDFLAGS+=-Wl,--dynamic-linker='/mnt/valgrind/lib/target/lib/ld-linux-armhf.so.3'

2、通过 patchelf 修改编译后的可执行文件,再通过 readelf 读取确认

const@const-virtual-machine:~/worksapce/bin$ patchelf --set-interpreter /mnt/valgrind/lib/target/lib/ld-linux-armhf.so.3 sample  const@const-virtual-machine:~/worksapce/bin$ readelf -l sample   Elf 文件类型为 EXEC (可执行文件) Entry point 0x12d18 There are 10 program headers, starting at offset 52  程序头:   Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align   PHDR           0x000034 0x0000f034 0x0000f034 0x00140 0x00140 R   0x4   GNU_STACK      0x001000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW  0x10   LOAD           0x000000 0x0000f000 0x0000f000 0x01000 0x01000 RW  0x1000   INTERP         0x000174 0x0000f174 0x0000f174 0x00031 0x00031 R   0x1       [Requesting program interpreter: /mnt/valgrind/lib/target/lib/ld-linux-armhf.so.3]   LOAD           0x001000 0x00010000 0x00010000 0x08148 0x08148 R E 0x1000   NOTE           0x001170 0x00010170 0x00010170 0x00020 0x00020 R   0x4   EXIDX          0x008eac 0x00017eac 0x00017eac 0x00298 0x00298 R   0x4   LOAD           0x009e70 0x00028e70 0x00028e70 0x002d4 0x002e4 RW  0x1000   GNU_RELRO      0x009e70 0x00028e70 0x00028e70 0x00190 0x00190 R   0x1   DYNAMIC        0x009ed8 0x00028ed8 0x00028ed8 0x00128 0x00128 RW  0x4

3、不需要修改编译选项,也不需要修改可执行文件,在目标板直接输入以下指令即可

/mnt/valgrind/bin/valgrind --error-limit=no --leak-check=full --tool=memcheck /mnt/valgrind/lib/target/lib/ld-linux-armhf.so.3  /usr/local/bin/sample