valgrind

Valgrind

用途

引导 Agent 使用 Valgrind 工具：使用 Memcheck 检测内存错误，使用 Cachegrind 模拟缓存，使用 Callgrind 生成调用图，并使用 Massif 分析堆内存。

触发条件

• “我的程序有内存泄漏／释放后使用问题”
• “我不能使用 ASan，可以改用 Valgrind 吗？”
• “不使用 perf，如何分析缓存行为？”
• “如何使用 Callgrind 可视化调用图？”
• “如何分析堆内存分配模式？”
• “Valgrind 报告了第三方代码中的错误，但我无法修复”

工作流

1. Memcheck — 内存错误检测

使用 -g -O1 编译以获得最佳结果。-O0 也可以；避免使用 -O2 或更高优化级别，否则可能产生误报。

valgrind --tool=memcheck \
         --leak-check=full \
         --show-leak-kinds=all \
         --track-origins=yes \
         --error-exitcode=1 \
         ./prog [args]

主要标志：

标志	默认值	作用
--leak-check=full	summary	显示完整的泄漏详情
--show-leak-kinds=all	definite	显示所有类型的泄漏
--track-origins=yes	no	显示未初始化值的来源（速度较慢）
--error-exitcode=N	0	如果发现错误，则以 N 退出（用于 CI 集成）
--log-file=file	stderr	将报告保存到文件
--suppressions=file	none	忽略已知的误报
--gen-suppressions=yes	no	打印错误对应的抑制指令
--max-stackframe=N	2000000	为较深的调用栈增大限制
--malloc-fill=0xAB	off	填充已分配的内存（检测未初始化值的使用）
--free-fill=0xCD	off	填充已释放的内存（检测释放后使用）

2. 理解 Memcheck 输出

==12345== Invalid read of size 4
==12345==    at 0x4007A2: foo (main.c:15)
==12345==    by 0x400846: main (main.c:30)
==12345==  Address 0x5204040 is 0 bytes after a block of size 40 alloc'd
==12345==    at 0x4C2FB0F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck.so)
==12345==    by 0x40074B: main (main.c:25)

• 无效读取／写入：越界访问；检查数组边界
• 使用未初始化的值：先读后写；使用 --track-origins=yes
• 无效释放／重复释放：malloc／free 不匹配；检查所有权
• 确定丢失：没有指针指向该内存块；属于明确的泄漏
• 间接丢失：通过一连串内存块丢失；通常表示存在一个根泄漏
• 可能丢失：指针可能指向内存块的中间位置；使用自定义分配器时通常是误报

3. 泄漏类型

类型	含义
确定丢失	没有指针指向该内存块
间接丢失	通过另一个已丢失的内存块丢失
可能丢失	指针指向内存块的中间位置
仍可访问	程序退出时仍有指针指向该内存块；不算泄漏，但从未释放

对于库代码，使用 --show-leak-kinds=definite,indirect 可以减少仍可访问内存造成的干扰。

4. 抑制规则

# Generate suppression for current error
valgrind --gen-suppressions=yes ./prog 2>&1 | grep -A20 '{'

# Example suppression file (valgrind.supp)
{
   openssl_uninit
   Memcheck:Cond
   fun:SHA256_Init
   ...
}

# Use suppression file
valgrind --suppressions=valgrind.supp ./prog

5. Cachegrind — 缓存模拟

valgrind --tool=cachegrind ./prog

# Output: cachegrind.out.PID
# Annotate source
cg_annotate cachegrind.out.12345 --auto=yes

# Diff two runs
cg_diff cachegrind.out.before cachegrind.out.after

主要指标：

• I1mr / ILmr：L1／末级指令缓存未命中率
• D1mr / DLmr：L1／末级数据读取未命中率
• D1mw / DLmw：L1／末级数据写入未命中率

6. Callgrind — 调用图分析

valgrind --tool=callgrind --callgrind-out-file=callgrind.out ./prog

# Analyse
callgrind_annotate callgrind.out

# Visualise in KCachegrind (GUI)
kcachegrind callgrind.out

Callgrind 的运行速度比 perf 慢，但无需 root 权限，并且能提供精确的调用次数。

7. Massif — 堆内存分析

valgrind --tool=massif ./prog

# Visualise
ms_print massif.out.PID | less

# GUI
massif-visualizer massif.out.PID

Massif 会显示堆内存用量随时间的变化；可用于查找内存分配峰值位置并追踪逐渐累积的泄漏。

8. 性能注意事项

Valgrind Memcheck 的运行速度约为原生程序的 1/10 至 1/50。可通过以下方式缓解：

• 使用较短且具有代表性的工作负载
• 使用 --error-exitcode=1，在 CI 中发现错误后立即失败
• 在开发过程中使用 ASan（-fsanitize=address）进行更快的内存检查
• 仅在无法使用 ASan 时（例如旧工具链或类似生产环境）使用 Valgrind

Valgrind 与 ASan 的比较请参阅 references/valgrind-vs-asan.md。

相关技能

• 使用 skills/runtimes/sanitizers 获取更快的 ASan／UBSan 替代方案
• 使用 skills/profilers/linux-perf 进行 CPU 级分析（速度比 Cachegrind 快）
• 使用 skills/profilers/flamegraphs 可视化 Callgrind 输出