Valgrind — инструментальное программное обеспечение, предназначенное для отладки использования памяти, обнаружения утечек памяти, а также профилирования. Название valgrind произошло от названия главного входа в Валгаллу в германо-скандинавской мифологии.^[1]

Valgrind первоначально был создан как свободный инструмент для отладки использования памяти для операционной системы Linux для архитектуры x86, но с тех пор развился в обобщенный фреймворк для создания инструментов динамического анализа, таких как программы проверки и профилировщики. Используется во многих проектах на базе Linux.^[2] 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.^[3][4] 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.^[5]

Valgrind является свободным программным обеспечением, распространяющимся под лицензией GPL.

Обзор

Valgrind по сути является виртуальной машиной, использующей методы JIT-компиляции, среди которых динамическая перекомпиляция. 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 зависима от процессора и находится в SSA-виде. После преобразования инструмент (см. ниже) может выполнять любое необходимое преобразование над IR, до того как Valgrind оттранслирует IR обратно в машинный код и позволит основному процессору его исполнить. Даже несмотря на то, что для этого может использоваться динамическая трансляция (то есть, когда основной и целевой процессоры принадлежат к разным архитектурам), тем не менее она не используется. Valgrind перекомпилирует двоичный код для запуска на основном и целевом (или его симуляторе) процессорах одинаковой архитектуры.

Производительность значительно снижается из-за этих преобразований: обычно код, запущенный под Valgrind и «пустым» (ничего не делающим) инструментом, работает в 4-5 раз медленее по сравнению с исполнением кода напрямую. Тем не менее, IR-форма гораздо более удобна для инструментирования, чем оригинал, и она значительно упрощает написание инструментов, а для большинства проектов снижение производительности не является существенной проблемой при отладке.

Инструменты

Существует множество инструментов, входящих в состав Valgrind (а также некоторых, поставляемых отдельно). Инструмент по умолчанию (и наиболее используемый) — Memcheck. Memcheck вставляет дополнительный код инструментирования вокруг почти всех инструкций, 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 не является ли она непустой), 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, Memcheck 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 обнаруживать ошибки несоответствия (off-by-one errors), при которых программа считывает или записывает вне выделенного блока памяти (немного выходя 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 обнаруживать Memcheck и предупреждать о них, включают в себя:

• Попытка использования неинициализированной памяти
• Чтение/запись в память после её освобождения
• Чтение/запись с конца выделенного блока
• утечки памяти

Ценой этого является потеря производительности; программы, запущенные под Memcheck, как правило выполняются в 5-12 раз медленее, чем при выполнении без Valgrind, а также использование большего объёма памяти (за счет выделения значительных дополнительных расходов памяти). Поэтому немногие разработчики постоянно запускают свой код под Memcheck (или любым другим инструментом Valgrind); наиболее распространена ситуация, когда или отслеживается какая-либо определенная ошибка, или для проверки того, что в коде нет скрытых ошибок (из тех, что Memcheck может обнаружить).

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.
• Cachegrind — профилирощик кэша и его графический интерфейс KCacheGrind
• exp-ptrcheck — экспериментальный инструмент для поиска схожих ошибок по аналогии с memcheck, но с тем отличием, что есть возможность поиска некоторых дополнительных типов ошибок (см. ниже).^[6]

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.^[7] Существуют неофициальные порты на другие UNIX-подобные платформы (как например, FreeBSD^[8] и NetBSD^[9]).

Ограничения Memcheck

Помимо ограничения производительности, существенным ограничением Memcheck является его неспособность обнаруживать граничные ошибки при использовании статических или помещенных в стек данных.^[10] Нижеследующий 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;
  }

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

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

Примечания