Valgrind — инструментальное программное обеспечение , предназначенное для отладки использования памяти , обнаружения утечек памяти , а также профилирования . Название valgrind взято из германо-скандинавской мифологии , где является названием главного входа в Вальгаллу .

Valgrind первоначально был создан как свободный инструмент для отладки использования памяти в операционной системе Linux для архитектуры x86 , но позднее развился в обобщённый фреймворк для создания инструментов динамического анализа использования памяти, проверки потокобезопасности и профилировования. Используется во многих проектах на базе Linux . Начиная с версии 3.5 Valgrind также работает и под Mac OS X .

Первоначальным автором Valgrind стал Джулиан Сюард , выигравший в 2006 году второй Google - O’Reilly Open Source Award за свою работу над Valgrind . Также свой значительный вклад внесло множество других людей, среди которых Черион Армор-Браун, Джереми Фитцхардин, Том Хьюз, Николас Незеркоут, Пол Маккеррас, Дирк Мюллер, Барт Ван Асш, Джозеф Вейдендорфер и Роберт Уолш .

Valgrind является свободным программным обеспечением , распространяющимся под лицензией GPL .

Обзор

Valgrind по сути является виртуальной машиной , использующей методы JIT -компиляции, среди которых — . То есть, оригинальная программа не выполняется непосредственно на основном процессоре . Вместо этого Valgrind сначала транслирует программу во временную, более простую форму, называемую промежуточным представлением (Intermediate Representation, сокр. IR), которая сама по себе не зависит от процессора и находится в SSA -виде. После преобразования инструмент (см. ниже) может выполнять любое необходимое преобразование IR до того, как Valgrind оттранслирует IR обратно в машинный код и позволит основному процессору его исполнить. Её используют, даже несмотря на то, что для этого может использоваться динамическая трансляция (то есть, когда основной и целевой процессоры принадлежат к разным архитектурам). Valgrind перекомпилирует двоичный код для запуска на основном и целевом (или его симуляторе) процессорах одинаковой архитектуры.

Из-за этих преобразований значительно снижается производительность: обычно код, запущенный под Valgrind и «пустым» (ничего не делающим) инструментом, работает в 5—10 раз медленнее по сравнению с исполнением кода напрямую; а при использовании некоторых инструментов — до 100 раз медленнее . Тем не менее, IR-форма гораздо более удобна для инструментирования , чем оригинал, и она значительно упрощает написание инструментов, а для большинства проектов снижение производительности при отладке не является существенной проблемой.

Инструменты

В состав пакета Valgrind входит множество инструментов (некоторые дополнительные инструменты не входят в его состав). Инструмент по умолчанию (и наиболее используемый) — Memcheck . Вокруг почти всех инструкций Memcheck вставляет дополнительный код инструментирования , который отслеживает законность (вся невыделенная память изначально помечается как некорректная или «неопределенная», пока не будет инициализирована одним из определенных состояний, вероятно, из другой памяти) и адресуемость (подлежит ли память по указанному адресу выделению, то есть пуста ли она) операций с памятью, что сохраняется в так называемые V-биты и A-биты соответственно. По ходу перемещения данных и манипулирования ими код инструментирования отслеживает значения A- и V-битов, чтобы они всегда были корректны на однобитовом уровне (single-bit level).

Более того, заменяет стандартное выделение памяти языка Си собственной реализацией, которая, помимо прочего, включает в себя защиту памяти (memory guards) вокруг всех выделенных блоков (у которых A-биты помечены как «некорректные»). Данная возможность позволяет Memcheck'у обнаруживать ошибки переполнения буфера на единицу (off-by-one buffer overflows), при которых программа считывает или записывает память вне выделенного блока (с небольшим выходом за границу). (Другой способ решения этой проблемы включает в себя реализацию граничных указателей в компиляторе, что несколько снижает вероятность возникновения необнаруживаемых ошибок, особенно в памяти, выделенной под стек , а не под кучу , но это требует перекомпиляции всего инструментируемого двоичного кода.) Проблемы, которые может обнаружить Memcheck, включают в себя:

• попытки использования неинициализированной памяти,
• чтение/запись в память после её освобождения ,
• чтение/запись за границами выделенного блока,
• утечки памяти .

Ценой этого является потеря производительности. Программы, запущенные под Memcheck, как правило, выполняются в 5-12 раз медленнее, чем при выполнении без Valgrind, а также используют больший объём памяти (за счет выделения значительных дополнительных расходов памяти). Поэтому код редко постоянно запускают под Memcheck / Valgrind. Наиболее распространена ситуация, когда или отслеживают какую-либо определенную ошибку, или проверяют, что в коде нет скрытых ошибок определённых типов.

В дополнение к Memcheck Valgrind имеет и другие инструменты.

• Addrcheck — облегченная версия Memcheck, работающая гораздо быстрее и потребляющая меньше памяти, но и обнаруживающая меньшее количество типов ошибок. Этот инструмент был удален в версии 3.2.0.
• Massif — профилировщик кучи .
• Helgrind и DRD — инструменты, способные отслеживать состояние гонки и подобные ошибки в многопоточном коде .
• — профилировщик кэша и его графический интерфейс .
• Callgrind — профилировщик кода, может использовать графический интерфейс .
• SGCheck — экспериментальный инструмент для поиска схожих ошибок по аналогии с memcheck, но с тем отличием, что ищет ошибки в стеке, а не в куче.

Поддерживаемые платформы

Согласно документации к версии 3.4.0, Valgrind поддерживает Linux под архитектуры x86 , x86-64 и PowerPC . Поддержка Mac OS X была добавлена в версии 3.5.0 . Существуют неофициальные порты на другие UNIX-подобные платформы (как например, FreeBSD , NetBSD и QNX ).

Ограничения Memcheck

Помимо ограничения производительности существенным ограничением Memcheck является его неспособность обнаруживать граничные ошибки при использовании статических или помещенных в стек данных . Следующий код успешно пройдет проверку Memcheck без каких-либо предупреждений, невзирая на указанные ошибки:

  int Static[5];
  
  int func(void)
  {
    int Stack[5];
  
    Static[5] = 0;  /* Ошибка - существует лишь Static[0] до Static[4], Static[5] выходит за пределы массива */
    Stack [5] = 0;  /* Ошибка - существует лишь Stack[0] до  Stack[4], Stack[5] выходит за пределы массива */
    
    return 0;
  }

Необходимость обнаружения этого типа ошибок особенно важна из-за определенных ошибок работы со стеком , что делает программное обеспечение уязвимым для классического .

Тем не менее, экспериментальная утилита SGCheck для Valgrind вполне в состоянии обнаруживать подобные ошибки.

Примечания

Ссылки

Дополнительные источники

• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• (рус.)
• (рус.)
• (рус.)