Linux программирование в примерах - Роббинс Арнольд

Мы нашли, что библиотека dbug является удачным дополнением к внешним отладчикам, таким, как GDB; она обеспечивает организованный и последовательный способ применения поддержки к коду С. Она также довольно элегантно сочетает многие из методик, которые мы ранее в данной главе очертили отдельно. Особенно полезна особенность динамической трассировки вызовов функций, и она доказывает свою бесценность в качестве помощи в изучении поведения программы, если вы незнакомы с ней.

15.5.2. Отладчики выделения памяти

Игнорируя такие проблемы, как плохой дизайн программы, для любого крупномасштабного практического приложения единственной сложной задачей программиста на С является управление динамической памятью (посредством malloc(), realloc() и free()).

Этот факт подкреплен большим количеством инструментов, доступных для отладки динамической памяти. Имеется значительное перекрывание того, что предлагают данные утилиты. Например:

• Обнаружение утечек памяти: память, которая выделяется, а затем становится недоступной.

• Обнаружение не освобождаемой памяти: память, которая выделяется, но никогда не освобождается. Не освобождаемая память не всегда является ошибкой, но определение таких случаев дает вам возможность проверить, что с ними все в порядке.

• Обнаружение неправильных освобождений: память, которая освобождается дважды, или функции free() передаются указатели, которые не были получены с помощью malloc().

• Обнаружение использования уже освобожденной памяти: память, которая освобождена, используется через висячий указатель.

• Обнаружение выхода за границы выделенной памяти: получение доступа или сохранение в память за пределами выделенной границы.

• Предупреждение об использовании неинициализированной памяти. (Многие компиляторы могут выдавать такие предупреждения.)

• Динамическая трассировка функций: когда появляется ошибочный доступ к памяти, вы получаете трассировку от того места, где память используется, до того места, где она была выделена.

• Управление инструментами посредством использования переменных окружения.

• Файлы журналов для необработанной отладочной информации, которая может быть обработана позже для создания полезных отчетов.

Некоторые утилиты просто записывают эти события. Другие организуют жуткое завершение программы приложения (посредством SIGSEGV), чтобы на код-нарушитель можно было точно указать из отладчика. Вдобавок, большинство спроектированы для работы вместе с GDB.

Некоторые инструменты требуют изменения исходного кода, такого, как вызов специальных функций или использование особого заголовочного файла, дополнительных #define и статической библиотеки. Другие работают посредством использования специального механизма библиотек общего пользования Linux/Unix для прозрачной установки себя в качестве заместителя стандартных библиотечных версий malloc() и free().

В данном разделе мы рассмотрим три отладчика динамической памяти, а затем предоставим ссылки на несколько других.

15.5.2.1. GNU/Linux mtrace

Системы GNU/Linux, использующие GLIBC, предоставляют две функции для включения и отключения трассировки памяти во время исполнения.

#include <mcheck.h> /* GLIBC */

void mtrace(void);

void muntrace(void);

Когда вызывается mtrace(), библиотека проверяет переменную окружения MALLOC_TRACE. Ожидается, что она указывает на записываемый файл (существующий или нет). Библиотека открывает файл и начинает записывать сведения о выделениях и освобождениях памяти (Если файл не может быть открыт, запись не производится. Файл урезается каждый раз при запуске программы.) Когда вызывается muntrace(), библиотека закрывает файл и больше не регистрирует выделения и освобождения.

Использование отдельных функций дает возможность проводить трассировку памяти для определенных частей программы; необязательно отслеживать все. (Мы нашли наиболее полезным включить журналирование в начале программы и все, но эта схема предоставляет гибкость, которую хорошо иметь.)

Когда приложение завершается, вы используете программу mtrace для анализа файла журнала. (Файл журнала в формате ASCII, но информацию нельзя использовать непосредственно.) Например, gawk включает трассировку, если определена TIDYMEM:

$ <b>export TIDYMEM=1 MALLOC_TRACE=trace.out</b> /* Экспортировать переменные окружения */

$ <b>./gawk 'BEGIN { print &quot;hello, world&quot; }'</b> /* Запустить программу */

hello, world

$ <b>mtrace ./gawk mtrace.out</b> /* Создать отчет */

Memory not freed:

-----------------

Address Size Caller

0x08085858 0x20  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/main.c:1102

0x08085880 0xc80 at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:398

0x08086508 0x2   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x08086518 0x6   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x08086528 0x10  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/eval.c:2082

0x08086550 0x3   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.с:337

0x08086560 0x3   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x080865e0 0x4   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/field.c:76

0x08086670 0x78  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/awkgram.y:1369

0x08086700 0xe   at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/node.c:337

0x08086718 0x1f  at /home/arnold/Gnu/gawk/gawk-3.1.3/awkgram.y:1259

Вывод представляет собой список мест, в которых gawk выделяет память, которая в дальнейшем не освобождается. Обратите внимание, что постоянное подвешивание к динамической памяти является замечательным, если это сделано намеренно. Все показанные здесь случаи являются выделениями такого рода.

15.5.2.2. Electric Fence

В разделе 3.1 «Адресное пространство Linux/Unix» мы описали, как динамическая память выделяется из кучи, которая может расти и сокращаться (с помощью вызовов brk() или sbrk(), описанных в разделе 3.2.3 «Системные вызовы: brk() и sbrk()»).

Ну, картина, которую мы там представили, является упрощением действительности. Более развитые системные вызовы (не рассматриваемые в данной книге) позволяют добавлять в адресное пространство процесса дополнительные, необязательно смежные сегменты памяти. Многие отладчики malloc() работают с использованием этих системных вызовов для добавления новых областей адресного пространства при каждом выделении. Преимуществом этой схемы является то, что операционная система и аппаратное обеспечение защиты памяти компьютера взаимодействуют для обеспечения недействительности доступа к памяти за пределами этих изолированных сегментов, генерируя сигнал SIGSEGV. Эта схема изображена на рис. 15.1.