C++雾中风景番外篇3：GDB与Valgrind ，调试代码内存的工具

写 C++的同学想必有太多和内存打交道的血泪经验了，常常被 C++的内存问题搅的焦头烂额。（写 core 的经验了）有很多同学一见到 core 就两眼一抹黑，不知所措了。笔者入"坑"C++之后，在调试 C++代码的过程之中，学习了不少调试代码内存的工具。希望借这个机会来介绍一下笔者常用的工具，GDB，Valgrind等等，相信大家通过好好运用这些工具，能更好的驯服内存这匹"野马"。

1.利用 GDB 调试 CoreDump

CoreDump时一个二进制的文件，进程发生错误崩溃时，内核会产生一个瞬时的快照，记录该进程的内存、运行堆栈状态等信息保存在core文件之中。做个简单的类比，core 文件相当于飞机运行时的"黑匣子"，能够帮助我们更好的调试 C++程序的问题。OK，接下来笔者将介绍一下如果利用GDB 来调试 CoreDump的文件。

CoreDump 文件的大小

首先我们先确定一下操作系统是否会产生 CoreDump 文件。通过ulimit -c获取 core 文件的限制大小：

上面显示笔者电脑的 core 文件的大小是0，我们需要调整一下。通过ulimit调整为无限制。当然这种调整是临时的，reboot 之后就恢复为0了。

ulimit -c ulimited

如果需要永久修改，可以通过/etc/security/limits.conf 来修改 core 文件的大小。

CoreDump 文件的生成路径

默认情况下，core dump生成的文件名为core，而且就在程序当前目录下。通过修改/proc/sys/kernel/core_pattern可以控制core文件保存位置和文件格式。（建议将后缀改为进程号） 笔者这里简单起见，不进行修改了。
编写core 代码，这里笔者利用线程访问了空指针

#include <unistd.h>

#include <thread>

void core() {

    char* ch = nullptr;

    *ch = 'a';

}

int main() {

    auto t1 = std::thread(core);

    sleep(5);

    return 0;

}

编译运行该代码，产生段错误，生成了 core 文件
利用 GDB 调试 core 文件

调试 core 文件需要利用原生编译出的二进制文件调试。这里有一点需要注意的，如果编译 C++文件之时没有加-g的编译选项，core 文件的调试内容会不够完整。笔者这里建议开启对应的编译选项，这会导致对应的二进制文件变大，编译时间变长。（生产环境可以考虑关闭）使用gdb 二进制文件 core 文件打开 core 文件。

core 文件列出了两个线程的信息。我们需要判断对应的问题代码的定位，接下来我们一起来梳理一下：

用info thread查看线程的运行情况，在这里我们就可以判断代码 core 在什么线程之中了，如果还是无法确定，可以通过thread apply all bt列出更加详尽的堆栈信息。

通过上述信息可以确认，thread 1的代码存在问题。我们通过thread 1切换到 thread 1，用bt显示堆栈信息继续追查：

之后我们来看看令人生疑的栈内容，这里显然栈0是我们怀疑的代码，用frame 1查看。

好了，这里我们找到了引起问题罪魁祸首的代码，访问了空指针。

小结

程序运行的 core 文件是我们调试代码十分重要依据，通过 GDB 可以很好的给出我们修改代码的线索和参考，熟悉掌握GDB 的调试技巧，能够大大解放我们调试问题代码的生产力。

2.利用Valgrind判断内存泄露

亡羊补牢不如未雨绸缪，与其等到出现程序崩溃时使用 GDB 来调试解决，不如事前确认代码之中可能引发的问题。所以笔者接下来要介绍一款来自大不列颠的C++代码分析神器：Valgrind。(Valgrind的作者也通过开发Valgrind获得了第二届Google-O'Reilly开源代码大奖~~~)

Valgrind 十分强大，适用于内存分析，泄漏检测、锁分析，性能评估。笔者也只掌握了一些基本的入门使用。希望这里能够抛砖引玉，更多复杂的用法烦请参考官方文档。

Valgrind的安装

Valgrind的安装很简单，笔者的发行版带了对应的 deb 包。通过 apt-get 的包管理工具就可以直接安装了，其他的发行版也可以作为参考。

sudo apt-get install valgrind

Valgrind的使用

与 GDB 类似，Valgrind 同样推荐使用-g作为编译参数。能够更好的对代码进行分析。这里我们依旧使用之前的例子进行测试：

valgrind ./untitiled

下面是 Valgrind 的分析结果：

这里有显示Invalid write of size 1，说明这里有一个不合法的写入，并且写入了1个字节的内容。也就是指的是我们之前代码之中写入空指针的行为。

接下来我们要展示 Valgrind更加强大的功能。它展示了程序的内存使用情况，并且给出总结：

这里列出了多种的内存泄露情况：

definitely lost: 肯定的内存泄漏，这表示在程序退出时，有内存没有回收，但是也没有指针指向该内存。这种情况最为严重。
indirectly lost: 间接的内存泄漏，如类之中定义的指针指向的内存没有回收。这种情况和上述相同。
possibly lost：可能出现内存泄漏。这种情况需要仔细排查，可能代码没有问题，也可能有异常的内存泄露。
still reachable: 程序没主动释放内存，在退出时候该内存仍能访问到。这种情况一般问题不大，因为程序退出之后操作系统会回收程序的内存，所以这种情况一般问题不大。

这里没有给出具体泄露的内容，需要加入参数--leak-check=full将完整的结果打印出来，会指出对应的引起内存泄露的具体代码，可以继续深入分析。

代码调优

这里进行代码调优的时，需要利用qcachegrind来进行分析。首先笔者先进行安装：

sudo apt-get install qcachegrind

之后我们调用Valgrind来生成运行数据：

 valgrind --tool=callgrind -v main（需要分析的程序）

运行之后在目录下生成对应的分析数据，我们用qcachegrind 打开，这里用的代码是笔者之前实现的 SkipList。

qcachegrind callgrind.out.29235

接下来我们来分析对应的结果：

上图显示了各个函数的被调用的耗时百分比，我们可以选取对性能感兴趣的函数来进行深入分析。我们下面继续分析其中一个函数被调用和它使用函数的性能情况

所以通过上述数据，我们可以给出性能分析的证据和线索，依据这些信息来更好的优化我们代码的性能。

3.小结

本文介绍了亡羊补牢的工具 GDB，也简介了未雨绸缪的Valgrind 。通过上述工具对C++程序更加深入分析。工欲善其事，必先利其器，希望大家也能好好掌握这些提供生产力的工具，让 C++不再恼人。