C++ 内存泄漏检测工具 `Valgrind` / `AddressSanitizer` (ASan) 的高级应用 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

哈喽，各位好！今天咱们聊聊C++内存泄漏检测工具的高级应用，重点是Valgrind和AddressSanitizer (ASan)。别害怕，虽然名字听起来像科幻电影，但用起来其实没那么难，甚至有点意思。

开场白：内存泄漏这只“隐形怪兽”

C++ 以其强大的功能和灵活性著称，但也因此更容易出现内存管理方面的问题。内存泄漏就像一只隐形的怪兽，悄无声息地吞噬着你的程序资源，最终可能导致程序崩溃或性能下降。所以，我们需要一些“捉妖神器”，Valgrind和ASan就是其中最强大的两件。

第一部分：Valgrind — 全能的内存猎人

Valgrind，这个名字来源于北欧神话中的英灵殿入口（Valgrindr），听起来就很厉害。它是一个功能强大的内存调试和分析工具套件，其中最常用的工具是 Memcheck，专门用来检测内存泄漏和其他内存错误。

1.1 Memcheck 的基本用法：简单有效

Memcheck 的用法非常简单，通常只需要在编译时加入调试信息（-g 选项），然后在运行程序时使用 valgrind 命令即可。

g++ -g my_program.cpp -o my_program
valgrind --leak-check=full ./my_program

这条命令会启动 Memcheck 来监控 my_program 的内存使用情况，并在程序退出时报告任何检测到的内存泄漏。--leak-check=full 选项表示进行完整的内存泄漏检查。

1.2 Memcheck 的报告解读：像福尔摩斯一样破案

Memcheck 的报告可能会有点长，但仔细阅读，你会发现它提供了非常有用的信息。报告通常包括以下几个部分：

Leak Summary: 内存泄漏的概要信息，包括泄漏的总字节数和块数。
Definitely Lost: 绝对泄漏，即程序完全无法访问的内存块。这是最严重的泄漏。
Indirectly Lost: 间接泄漏，即程序无法访问的内存块，但可以通过其他泄漏的内存块访问。
Possibly Lost: 可能泄漏，即程序可能无法访问的内存块，但 Memcheck 无法确定。
Still Reachable: 仍然可访问的内存块，即程序退出时仍然可以通过全局变量或堆栈变量访问的内存块。这通常不是问题，但有时也可能是泄漏的迹象。

报告中最重要的信息是泄漏的地址和分配内存的位置。Memcheck 会尽可能地提供分配内存的源代码文件名和行号，这可以帮助你快速找到泄漏的根源。

举个栗子：

假设我们有以下代码：

#include <iostream>

int main() {
  int* ptr = new int[10];
  // 忘记 delete[] ptr;
  return 0;
}

运行 valgrind --leak-check=full ./my_program，会得到类似下面的报告：

==12345== Memcheck, a memory error detector
==12345== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==12345== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==12345== Command: ./my_program
==12345==
==12345==
==12345== HEAP SUMMARY:
==12345==     in use at exit: 40 bytes in 1 blocks
==12345==     total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 40 bytes allocated
==12345==
==12345== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==12345==    at 0x4C2DB8F: operator new[](unsigned long) (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==12345==    by 0x109159: main (my_program.cpp:4)
==12345==
==12345== LEAK SUMMARY:
==12345==     definitely lost: 40 bytes in 1 blocks
==12345==   indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==12345==     possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==12345==   still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==12345==        suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==12345==
==12345== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

报告显示，在 my_program.cpp 的第 4 行，分配了 40 字节的内存，但没有释放，导致了绝对泄漏。

1.3 Memcheck 的高级用法：定制你的猎杀方案

除了基本的内存泄漏检测，Memcheck 还提供了许多高级选项，可以帮助你更精确地定位问题。

–track-origins=yes: 跟踪未初始化变量的使用。这可以帮助你找到因为使用未初始化变量而导致的错误。
–show-reachable=yes: 显示仍然可访问的内存块。这可以帮助你找到可能被忽略的泄漏。
–leak-check=summary: 只显示内存泄漏的概要信息。这可以减少报告的长度，方便快速查看结果。
–undef-value-errors=yes: 检测未定义值的错误。

1.4 抑制错误报告：化解误报危机

有时候，Memcheck 可能会报告一些误报，或者你明知某些代码存在问题，但暂时无法修复。在这种情况下，你可以使用抑制文件来告诉 Memcheck 忽略这些错误。

创建一个抑制文件（例如 suppressions.txt），并在其中添加要抑制的错误信息。抑制文件的格式比较复杂，但你可以使用 valgrind --gen-suppressions=all ./my_program 命令来自动生成抑制文件。

然后在运行 Valgrind 时，使用 --suppressions=suppressions.txt 选项来指定抑制文件。

1.5 Valgrind 其他利器：不仅仅是 Memcheck

Valgrind 不仅仅是一个内存泄漏检测工具，它还包含许多其他有用的工具，例如：

Cachegrind: 用于分析程序的缓存使用情况，帮助你优化程序的性能。
Callgrind: 用于分析程序的函数调用关系，帮助你找到性能瓶颈。
Helgrind: 用于检测多线程程序中的竞争条件和死锁。

这些工具可以帮助你更全面地了解程序的行为，并找到潜在的问题。

第二部分：AddressSanitizer (ASan) — 内存错误的狙击手

AddressSanitizer (ASan) 是一个快速的内存错误检测工具，由 Google 开发。与 Valgrind 相比，ASan 的性能更高，但功能相对较少。ASan 主要用于检测以下类型的内存错误：

堆缓冲区溢出 (Heap buffer overflow): 写入超出堆分配内存块的范围。
栈缓冲区溢出 (Stack buffer overflow): 写入超出栈分配内存块的范围。
使用已释放的内存 (Use-after-free): 访问已经释放的内存块。
重复释放 (Double-free): 多次释放同一个内存块。
内存泄漏 (Memory leak): 忘记释放分配的内存。

2.1 ASan 的基本用法：简单粗暴

ASan 的用法非常简单，只需要在编译和链接时加入 -fsanitize=address 选项即可。

g++ -fsanitize=address -g my_program.cpp -o my_program
./my_program

ASan 会在程序运行时监控内存访问，并在检测到错误时立即停止程序并报告错误信息。

2.2 ASan 的报告解读：一针见血

ASan 的报告通常非常清晰明了，可以直接指出错误的类型和位置。报告通常包括以下几个部分：

错误类型: 例如 "heap-buffer-overflow", "use-after-free" 等。
错误地址: 发生错误的内存地址。
分配内存的位置: 分配内存的源代码文件名和行号。
访问内存的位置: 访问内存的源代码文件名和行号。

举个栗子：

假设我们有以下代码：

#include <iostream>

int main() {
  int* ptr = new int[10];
  ptr[10] = 123; // 堆缓冲区溢出
  delete[] ptr;
  return 0;
}

使用 ASan 编译并运行该程序：

g++ -fsanitize=address -g my_program.cpp -o my_program
./my_program

会得到类似下面的报告：

==12345==ERROR: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow on address 0x602000000048 at pc 0x000000400896 bp 0x7ffc3a8a4970 sp 0x7ffc3a8a4968
WRITE of size 4 at 0x602000000048 thread T0
    #0 0x400895 in main my_program.cpp:4
    #1 0x7f1234567890 in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x21ab0)
    #2 0x40076d in _start (./my_program+0x40076d)

Address 0x602000000048 is located 0 bytes to the right of 40-byte region [0x602000000020,0x602000000048)
allocated by thread T0 here:
    #0 0x40611d in operator new[](unsigned long) (/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libasan.so.5+0x1011d)
    #1 0x400857 in main my_program.cpp:3
    #2 0x7f1234567890 in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x21ab0)
    #3 0x40076d in _start (./my_program+0x40076d)

SUMMARY: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow my_program.cpp:4

报告显示，在 my_program.cpp 的第 4 行，发生了堆缓冲区溢出，写入了超出分配内存块范围的 4 字节数据。分配内存的位置在 my_program.cpp 的第 3 行。

2.3 ASan 的高级用法：精确定位

ASan 提供了少量的高级选项，可以帮助你更精确定位问题。

ASAN_OPTIONS=verbosity=2: 增加报告的详细程度。
ASAN_OPTIONS=detect_leaks=1: 启用内存泄漏检测。需要注意的是，ASan 的内存泄漏检测不如 Memcheck 强大。

2.4 ASan 的局限性：并非万能

ASan 虽然非常强大，但也有一些局限性：

性能开销: ASan 会带来一定的性能开销，但通常比 Valgrind 小。
平台限制: ASan 并非在所有平台上都可用。
无法检测所有类型的内存错误: 例如，ASan 无法检测未初始化变量的使用。

第三部分：Valgrind 和 ASan 的对比：双剑合璧

特性	Valgrind (Memcheck)	AddressSanitizer (ASan)
内存泄漏检测	强大，全面	有限，但速度快
内存错误检测	有限	强大，快速
性能开销	高	较低
平台支持	广泛	相对较少
功能	更多	专注内存错误

总结：

如果需要全面地检测内存泄漏和其他内存错误，并且对性能要求不高，可以使用 Valgrind。
如果需要快速地检测常见的内存错误，并且对性能要求较高，可以使用 ASan。
在开发过程中，可以同时使用 Valgrind 和 ASan，以达到最佳的检测效果。

最佳实践：

尽早开始使用内存检测工具。
在每次提交代码之前，都进行内存检测。
养成良好的内存管理习惯。

最后：预防胜于治疗

虽然 Valgrind 和 ASan 是强大的内存错误检测工具，但最好的方法还是预防内存错误。良好的编码习惯和代码审查可以帮助你避免许多常见的内存错误。记住，小心驶得万年船！

好了，今天的分享就到这里。希望这些知识能帮助你更好地管理 C++ 程序的内存，远离内存泄漏的困扰！下次再见！

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