Wprowadzenie
Wyobraź sobie, że piszesz program komputerowy, ale z jakiegoś powodu ten program zaczyna działać dziwnie albo się zawiesza. Może to być spowodowane błędami w zarządzaniu pamięcią – czyli sposobem, w jaki program wykorzystuje pamięć komputera.
Wycieki pamięci (ang. memory leaks) powstają gdy program „zapomina” zwolnić niepotrzebną pamięć. Dostęp do niepoprawnych obszarów pamięci, czy też błędy w przydzielaniu pamięci mogą powodować te problemy. Niejednokrotnie jest to związane ze stosowaniem języków programowania komputerów tzw. niższego poziomu t.j. np. ANSI C, gdzie autor programu jest odpowiedzialny za zarządzanie pamięcią RAM wykorzystywaną w (na)pisanym programie.
Memory debugger to narzędzie, które pomaga znaleźć takie błędy. Działa jak detektyw, analizując, w jaki sposób program korzysta z pamięci i wskazując, gdzie znajdują się problemy. Dzięki temu możesz je naprawić i upewnić się, że Twój program działa sprawnie i stabilnie.
Ogólnie o narzędziach do badania alokacji pamięci w systemie Linux
Jeśli przechodzisz na Linuxa, to z pewnością docenisz ten system operacyjny, dlatego, że jest to ogromne źródło wiedzy dla programistów z bazą (pakietami) najpopularniejszych narzędzi do debugowania pamięci w programach komputerowych.
Linux może wydawać się skomplikowany na początku, ale z czasem stanie się niezastąpionym pomocnikiem w twojej pracy programistycznej!
Reasumując memory debugger to narzędzie służące do wykrywania i diagnozowania problemów związanych z zarządzaniem pamięcią w programach komputerowych. Problemy te mogą obejmować wycieki pamięci (ang. memory leaks), niezwalnianie zaalokowanej wcześniej w programie lub w trakcie jego działania pamięci.
Klasa programów memory debugger może też zdiagnozować dostęp do niezainicjalizowanej pamięci, próby odwołania się do pamięci poza przydzielonymi obszarami oraz inne błędy, które mogą prowadzić do nieprzewidywalnych zachowań programów. Ta klasa problemów zalicza się do dość uciążliwych, ze względu na poziom abstrakcji programów, jak i na przeróżne techniki alokacji pamięci, w tym powielane antywzorce w tym temacie.
Debuggery pamięci (ang. memory debuggers) działają, monitorując dostęp do pamięci, alokacje i dealokacje pamięci. Wiele debuggerów pamięci wymaga, aby aplikacje były rekompilowane z użyciem specjalnych bibliotek dynamicznego przydzielania pamięci, których API są w większości zgodne z konwencjonalnymi bibliotekami dynamicznego przydzielania pamięci, albo korzystają z dynamicznego linkowania.
Czym jest alokacja i dealokacja pamięci?
Alokacja pamięci to proces rezerwowania pewnej ilości pamięci dla programu komputerowego, aby mógł on przechowywać swoje dane. Wyobraź sobie, że masz pudełka na różne przedmioty – alokacja pamięci to moment, w którym rezerwujesz te pudełka, aby przechowywać w nich swoje rzeczy, na przykład zmienne, tablice czy inne dane używane przez program. Dzięki temu program wie, gdzie dokładnie przechowywać i jak zarządzać swoimi danymi podczas działania.
W systemie Linux, jądro Linux (ang. Linux kernel) zarządza pamięcią, alokując i zwalniając (dealokując) zasoby dla programów w sposób efektywny i bezpieczny. Kiedy program żąda pamięci, jądro przydziela ją z dostępnej puli poprzez mechanizmy takie jak malloc czy mmap. Alokacja odbywa się zarówno w przestrzeni użytkownika, jak i jądra.
Jądro Linux (ang. Linux kernel) korzysta z szeregu struktur danych, takich jak strony i ramki, aby śledzić przydzielone i wolne bloki pamięci. W przypadku dynamicznej alokacji pamięci, jądro używa zarządzania listami wolnych bloków, co pozwala na optymalne i fragmentacyjne przydzielanie pamięci.
Dla programistów ważne jest zrozumienie, że jądro Linux (ang. Linux kernel) zarządza pamięcią również poprzez strony pamięci i buforowanie, co minimalizuje fragmentację i poprawia wydajność systemu. Znajomość tych mechanizmów jest kluczowa podczas debugowania i optymalizacji aplikacji na platformie Linux.
Lista otwartych debugerów pamięci, ktróre pomagają wykrywać wycieki pamięci w programach tworzonych dla systemów Linux
W zarządzaniu pamięcią w aplikacjach komputerowych kluczową rolę odgrywają debugery pamięci (ang. memory debuggers). Te narzędzia pomagają programistom wykrywać i naprawiać problemy związane z błędami alokacji pamięci, wyciekami pamięci oraz innymi problemami, które mogą prowadzić do niestabilności i awarii programów. W szczególności w środowisku Open Source istnieje wiele darmowych, otwartych narzędzi, które są szeroko stosowane przez społeczność programistów na całym świecie. Poniżej przedstawiamy listę kilku najpopularniejszych otwartych debugerów pamięci.
| nazwa | wspierane systemy | Licencja | wspierane języki programowania | technika działania | popularność na github (ilość gwiazdek ma luty 2025) |
| MemorySanitizer | Linux, Mac OS | Apache License v2.0 | C++, Go, Rust | Opisana w pracy od Google „MemorySanitizer: fast detector of C uninitialized memory use in C++” Instrumentacja w czasie kompilacji (dostępna w Clang i GCC) i specjalistyczna biblioteka | 11700 |
| Daikon | Unix, Mac OS X, M$ | Free/open source | Java, C/C++, C#, Perl, Eiffel, Simulink/Stateflow | 219 | |
| Valgrind | Linux dla x86, x86-64, PowerPC, Linux dla ARMv7, Solaris , OS X , FreeBSD x86 + amd64 + aarch64 i platformy Unix-like ( OpenBSD, NetBSD i QNX). ARM/Android | GNU GPL | wiele | Runtime intercepts | bardzo popularny, repo. poza github |
| debug_new | ogólnego przeznaczenia | Open Source | C / C++ | Debug_new refers to a technique in C++ to overload and/or redefine operator new and operator delete | to jest technika debugowania a nie biblioteka |
| dmalloc | AIX, DGUX, Free/Net/OpenBSD, GNU/Hurd, HPUX, Irix, Linux, OSX, NeXT, OSF/DUX, SCO, Solaris, Sunos, Ultrix, Unixware, MS M$, and Unicos on a Cray T3E | Free/open source (ISC License) | C | Compile-time override | 163 |
| drmemory | Linux, Mac, Android on commodity IA-32, AMD64, ARM, M$ | Free/open source (LGPL and BSD) | C / C++ | Runtime intercepts | 2.5k |
| libumem | Linux, Solaris | Open Source | C | Link-time override | 63 |
| memwatch | Linux | Open Source | C / C++ | Compile-time override | |
| mtrace | Linux | GNU LGPL | C | GNU C library | 21 |
| ltrace | Linux | Open Source | C | śledzenie wywołań kernela | polecenie w Linuxie: „man ltrace” wyświetli detale tego wbudowanegopolecenia |
Przykładowe raporty z działania debuggerów pamięci
Przykład raportu z narzędzia MemorySanitizer
Kod testowany napisany w języku ANSI C:
1 int arr [ 2 ] ;
2 void shift ( ) { arr [ 1 ] = arr [ 0 ] ; }
3 void push ( int *p ) {
4 shift ( ) ;
5 arr [ 0 ] = *p ;
6 }
7 int pop ( ) {
8 int x = arr [ 1 ] ;
9 shift ( ) ;
10 return x ;
11 }
12 void func1 ( ) {
13 int localvar ;
14 push (&localvar) ;
15 }
16 int main ( ) {
17 func1 ( ) ;
18 shift ( ) ;
19 return pop ( ) ;
20 }Wynik działania narzędzia MemorySanitizer na powyższym kodzie:
# używany kompilator Clang z flagami -fsanitize-memory-track-origins=2 -g
-fsanitize=memory
WARNING: MemorySanitizer: use-of-uninitialized-value
#0 0x7fa14df37e1d in main test.c:19:10
Uninitialized value was stored to memory at
#0 0x7fa14df37a57 in pop() test.c:8:3
#1 0x7fa14df37dd5 in main test.c:19:10
Uninitialized value was stored to memory at
#0 0x7fa14df37733 in shift() test.c:2:16
#1 0x7fa14df37dbb in main test.c:18:3
Uninitialized value was stored to memory at
#0 0x7fa14df3793f in push(int*) test.c:5:3
#1 0x7fa14df37b2f in func1() test.c:14:3
#2 0x7fa14df37db6 in main test.c:17:3
Uninitialized value was created by an allocation of
’local_var’ in the stack frame of function ’func1’
#0 0x7fa14df37ad0 in func1() test.c:12Wizualna prezentacja alokacji pamięci w narzędziach klasy Valgrind (KCacheGrind)
Przykładowe polecenie valgrind i efekt wyszukania wycieku pamięci w postaci raportu w Linux
G_SLICE=always-malloc G_DEBUG=gc-friendly valgrind -v --tool=memcheck --leak-check=full --num-callers=40 --log-file=valgrind.log ./hello_classification ~/waifook/classification.xml dog.bmp CPU
Podsumowanie
Memory debugery to nieodzowne narzędzia w arsenale każdego programisty, pomagające w wykrywaniu i naprawianiu błędów związanych z zarządzaniem pamięcią w aplikacjach komputerowych. Dzięki nim można identyfikować problemy takie jak wycieki pamięci, dostęp do niepoprawnych obszarów pamięci czy błędy przydzielania pamięci, które mogą prowadzić do niestabilności i awarii programów. W szczególności, w środowisku open-source, dostępnych jest wiele darmowych i otwartych narzędzi, które są szeroko stosowane przez społeczność programistów. Narzędzia te umożliwiają skuteczne zarządzanie zasobami pamięci, poprawiając ogólną wydajność i stabilność oprogramowania.
System Linux jest doskonałym przykładem źródła wiedzy na te temat i pozwala wykonać bardzo profesjonalne profilowanie pamięci, gdy podejrzewamy wycieki pamięci w programach pisanych pod Linuxa i nie tylko. Zachęcamy do programistycznych eksperymentów z Linux!