Linux内存使用情况以及内存泄露情况

1. 内存使用情况分析

http://www.360doc.com/content/15/1118/13/17283_514054063.shtml

https://www.linuxidc.com/Linux/2016-04/130069.htm

1.1 系统总内存分析

通过cat /proc/meminfo，可用的物理内存=MemFree+Buffers+Cached。

MemTotal:        5933132 kB
MemFree:         4485932 kB
MemAvailable:    4822944 kB
Buffers:          122148 kB
Cached:           630048 kB
SwapCached:            0 kB
Active:           806136 kB
Inactive:         461288 kB
Active(anon):     516344 kB
Inactive(anon):   230112 kB
Active(file):     289792 kB
Inactive(file):   231176 kB
Unevictable:          32 kB
Mlocked:              32 kB
SwapTotal:       7999484 kB
SwapFree:        7999484 kB
Dirty:               204 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        515264 kB
…

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches，会清理系统的cache。

Writing to this will cause the kernel to drop clean caches, dentries and inodes from memory, causing that memory to become free.

1-to free pagecache， 2-to free dentries and inodes， 3-to free pagecache, dentries and inodes。

1.2 进程内存分析

cat /proc/{pid}/maps

2.1 内存泄露类型

1. 常发性内存泄漏
发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏

2. 偶发性内存泄漏
发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要

3. 一次性内存泄漏
发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，导致总会有一块且仅有一块内存发生泄漏

4. 隐式内存泄漏
程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏

2.2 常用内存泄露检测工具

C/C++
1. Valgrind: Debugging and profiling Linux programs, aiming at programs written in C and C++
2. ccmalloc: Linux和Solaris下对C和C++程序的简单的使用内存泄漏和malloc调试库
3. LeakTracer: Linux、Solaris和HP-UX下跟踪和分析C++程序中的内存泄漏
4. Electric Fence: Linux分发版中由Bruce Perens编写的malloc()调试库
5. Leaky: Linux下检测内存泄漏的程序
6. Dmalloc: Debug Malloc Library
7. MEMWATCH: 由Johan Lindh编写，是一个开放源代码C语言内存错误检测工具，主要是通过gcc的precessor来进行
8. KCachegrind: A visualization tool for the profiling data generated by Cachegrind and Calltree 

2.3 内存检测原理

3.1 Linux内核内存泄漏检测kmemleak

kmemlean提供了一种检测内核内存泄露的方法，当内存对象没有被释放是，将其记录在/sys/kernel/debug/kmemleak中。

3.1.1 使能kmemleak

CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK=y
CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK_EARLY_LOG_SIZE=400
# CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK_TEST is not set
CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK_DEFAULT_OFF=n----------默认打开

如果没有打开KMEMLEAK_FULL，则使用了精简版。完整版比较耗内存，精简版适合嵌入式调试。

3.1.2 配置获取kmemleak结果

参数配置：

off 禁用kmemleak（不可逆）
stack=on 启用任务堆栈扫描(default)
stack=off 禁用任务堆栈扫描
scan=on 启动自动记忆扫描线程(default)
scan=off 停止自动记忆扫描线程
scan=<secs> 设置n秒内自动记忆扫描
scan 开启内核扫描
clear 清除内存泄露报告
dump=<addr> 转存信息对象在<addr>
通过“kmemleak = OFF”，也可以在启动时禁用Kmemleak在内核命令行。在初始化kmemleak之前，内存的分配或释放这些动作被存储在一个前期日志缓冲区。这个缓冲区的大小通过配CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK_EARLY_LOG_SIZE设置。 

cat /sys/kernel/debug/kmemleak > kmemleak.txt

3.1.3 分析kmemleak泄漏情况

参考文档：

《kmemleak的使用》

《Linux Kernel Memory Leak Detection》

《Linux memory leak detection》

3.2 valgrind

Linux C/C++ Memory Leak Detection Tool

Linux 下几款程序内存泄漏检查工具

Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具

Linux 内存泄露检测技巧

应用 Valgrind 发现 Linux 程序的内存问题

查看程序内存空间两种方法

一、查看/proc/{pid}/maps文件

二、pmap命令，原理上是一样的

[root@info ~]# pmap 1013

什么是内存泄漏
内存泄漏是指程序动态申请的内存在使用完后没有释放，导致这段内存不能被操作系统回收再利用。
例如这段程序，申请了4个字节的空间但没有释放，有4个字节的内存泄漏。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
int *p = new int(1);
cout <<*p<<endl;
return 0
}

随着时间的推移，泄漏的内存越来越多，可用的内存越来越少，轻则性能受损，重则系统崩溃。

一般情况下，发生内存泄漏时，重启就可以回收泄漏的内存。但是对于linux，通常跑的是服务器程序，不可以随意重启，在内存泄漏问题上就要格外小心。

内存泄漏特点
难复现 — 要运行到足够长的时间才会暴露。

难定位 — 出错位置是随机的，看不出与内存泄漏的代码有什么联系。

最简单的方法
为了避免写出内存泄漏的程序，通常会有这样的编程规范，要求我们在写程序时申请和释放成对出现的。因为每一次申请都意味着必须有一次释放与它相对应。

基于这个特点，一种简单的方法就是在代码中统计申请和释放的次数，如果申请和释放的数量不同，就认为是内存泄漏了。

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

int malloc_count, free_count;

void * my_malloc(int size)
{
malloc_count++;
return malloc(size);
}
void my_free(void *p)
{
free_count++;
free(p);
}
int main()
{
count = 0;
int *p1 = (int *)my_malloc(sizeif(int))
int *p2 = (int *)my_malloc(sizeif(int))
printf("%d, %d", p1, p2);
my_free(p1);
if(malloc_count != free_count)
printf("memory leak!\n");
return 0
}

方法分析
优点：
直观，容易理解，容易实现

缺点：
1.该方法要求运行结束时对运行中产生的打印分析才能知道结果。

2.该方法要求封装所有申请和释放空间的函数，并在调用的地方修改成调用封装后的函数。虽然C中申请/释放内存接口并不多，但是对于一个大型的项目，调用这些接口的地方却是很多的，要全部替换是一个比较大的工作量。

3.只对C语言适用，不能应用于C++

4.对于所调用的库不适用。如果希望应用于库，则要修改库代码

5.只能检测是否泄漏，却没有具体信息，比如泄漏了多少空间

6.不能说明是哪一行代码引起了泄漏

Linux检测程序内存泄漏

1.安装valgrind：
  这是一款开源的程序内存检测工具，mtrace为内存分配函数（malloc, realloc, memalign,free）安装hook函数。这些hook函数记录内存的申请和释放的trace信息。

Valgrind详解：

Valgrind包括以下一些工具：
1.Memcheck:这是valgrind应用最广泛的工具，一个重量级的内存检查器，能够给发现开发中绝大多数的内存错误使用的情况，比如：使用未初始化
2.callgrind：它主要用来检查程序中函数中调用过程中出现的问题
3.cachegrind：它主要用来检查程序中缓存使用出现的问题
4.Helgrind：它主要用来检查多线程中出现的竞争问题
5.Massif:它主要用来检查程序中堆栈使用中出现的问题
6.Extension:可以使用core提供的 功能，自己编写特定的内存调试工具
2.mtrace命令

man 3 mtrace 可以在man 手册中查看该函数

mtrace 也有对应的命令，其使用方式为：
一．将环境变量MALLOC_TRACE设置为所需输出文件的路径名

二．在需要检测的源代码中引入mcheck.h头文件
1．在分配内存之前调用mtrace(); ，一般在main函数的开头调用
2．在结束检测的地方调用muntrace(); ，一般在return之前调用
3．编译程序时需要加上-g 选项
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <mcheck.h>
int main()
{
mtrace();
int *p = NULL;
p =(int *)malloc(sizeof(int) * 1);
//free(p);//未free，内存泄漏
muntrace();
return 0;
}

4.内存泄漏信息将在MALLOC_TRACE环境变量指定的文件中报告，需要使用mtrace命令将信息转换。

Valgrind的最新版是3.11.0，它一般包含下列工具：

1.Memcheck

最常用的工具，用来检测程序中出现的内存问题，所有对内存的读写都会被检测到，一切对malloc()/free()/new/delete的调用都会被捕获。所以，它能检测以下问题：

对未初始化内存的使用；

读/写释放后的内存块；

读/写超出malloc分配的内存块；

读/写不适当的栈中内存块；

内存泄漏，指向一块内存的指针永远丢失；

不正确的malloc/free或new/delete匹配；

memcpy()相关函数中的dst和src指针重叠。

2.Callgrind

和gprof类似的分析工具，但它对程序的运行观察更是入微，能给我们提供更多的信息。和gprof不同，它不需要在编译源代码时附加特殊选项，但加上调试选项是推荐的。Callgrind收集程序运行时的一些数据，建立函数调用关系图，还可以有选择地进行cache模拟。在运行结束时，它会把分析数据写入一个文件。callgrind_annotate可以把这个文件的内容转化成可读的形式。

3.Cachegrind

Cache分析器，它模拟CPU中的一级缓存I1，Dl和二级缓存，能够精确地指出程序中cache的丢失和命中。如果需要，它还能够为我们提供cache丢失次数，内存引用次数，以及每行代码，每个函数，每个模块，整个程序产生的指令数。这对优化程序有很大的帮助。

4.Helgrind

它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。Helgrind寻找内存中被多个线程访问，而又没有一贯加锁的区域，这些区域往往是线程之间失去同步的地方，而且会导致难以发掘的错误。Helgrind实现了名为“Eraser”的竞争检测算法，并做了进一步改进，减少了报告错误的次数。不过，Helgrind仍然处于实验阶段。

5.Massif

堆栈分析器，它能测量程序在堆栈中使用了多少内存，告诉我们堆块，堆管理块和栈的大小。Massif能帮助我们减少内存的使用，在带有虚拟内存的现代系统中，它还能够加速我们程序的运行，减少程序停留在交换区中的几率。

此外，lackey和nulgrind也会提供。Lackey是小型工具，很少用到；Nulgrind只是为开发者展示如何创建一个工具。

1.3 原理

Memcheck 能够检测出内存问题，关键在于其建立了两个全局表。Valid-Value 表

对于进程的整个地址空间中的每一个字节(byte)，都有与之对应的 8 个 bits；对于CPU的每个寄存器，也有一个与之对应的bit向量。这些bits负责记录该字节或者寄存器值是否具有有效的、已初始化的值。

Valid-Address 表

对于进程整个地址空间中的每一个字节(byte)，还有与之对应的1个bit，负责记录该地址是否能够被读写。

检测原理：

当要读写内存中某个字节时，首先检查这个字节对应的 A bit。如果该A bit显示该位置是无效位置，memcheck则报告读写错误。

内核（core）类似于一个虚拟的 CPU 环境，这样当内存中的某个字节被加载到真实的 CPU 中时，该字节对应的 V bit 也被加载到虚拟的 CPU 环境中。一旦寄存器中的值，被用来产生内存地址，或者该值能够影响程序输出，则 memcheck 会检查对应的V bits，如果该值尚未初始化，则会报告使用未初始化内存错误。

2 安装使用

2.1安装

从官网http://www.valgrind.org下载最新版本（当前3.11）

#tar xvf valgrind-3.11.1.tar.bz2
#cd valgrind-3.11.1
#./configure --prefix=/usr/local/valgrind--指定安装目录
#make
#make install

2.2 命令介绍

用法:valgrind[options] prog-and-args [options]: 常用选项，适用于所有Valgrind工具

1. -tool=<name> 最常用的选项。运行 valgrind中名为toolname的工具。默认memcheck。
2. h –help 显示帮助信息。
3. -version 显示valgrind内核的版本，每个工具都有各自的版本。
4. q –quiet 安静地运行，只打印错误信息。
5. v –verbose 更详细的信息, 增加错误数统计。
6. -trace-children=no|yes 跟踪子线程? [no]
7. -track-fds=no|yes 跟踪打开的文件描述？[no]
8. -time-stamp=no|yes 增加时间戳到LOG信息? [no]
9. -log-fd=<number> 输出LOG到描述符文件 [2=stderr]
10. -log-file=<file> 将输出的信息写入到filename.PID的文件里，PID是运行程序的进行ID
11. -log-file-exactly=<file> 输出LOG信息到 file
12. -log-file-qualifier=<VAR> 取得环境变量的值来做为输出信息的文件名。 [none]
13. -log-socket=ipaddr:port 输出LOG到socket ，ipaddr:port

LOG信息输出:

1. -xml=yes 将信息以xml格式输出，只有memcheck可用
2. -num-callers=<number> show <number> callers in stack traces [12]
3. -error-limit=no|yes 如果太多错误，则停止显示新错误? [yes]
4. -error-exitcode=<number> 如果发现错误则返回错误代码 [0=disable]
5. -db-attach=no|yes 当出现错误，valgrind会自动启动调试器gdb。[no]
6. -db-command=<command> 启动调试器的命令行选项[gdb -nw %f %p]

适用于Memcheck工具的相关选项：

1. -leak-check=no|summary|full 要求对leak给出详细信息? [summary]
2. -leak-resolution=low|med|high how much bt merging in leak check [low]
3. -show-reachable=no|yes show reachable blocks in leak check? [no]