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級(jí)別： 初級(jí)
蔡 林, IBM 中國(guó)軟件開發(fā)中心軟件工程師
2006 年 2 月 23 日
本文介紹了 IBM Rational Purify的基本概念和在不同操作系統(tǒng)中使用Purify對(duì)C/C++源程序中存在的內(nèi)存問(wèn)題進(jìn)行勘察和分析，并且提供了有關(guān)的實(shí)例以便讀者在實(shí)際操作中作為參考。
簡(jiǎn)介
本文介紹了IBM Rational Purify的基本概念和在不同操作系統(tǒng)中使用Purify對(duì)C/C++源程序中存在的內(nèi)存問(wèn)題進(jìn)行勘察和分析，并且提供了有關(guān)的實(shí)例以便讀者在實(shí)際操作中作為參考。
1．內(nèi)存問(wèn)題的原因及分類
在C/C++程序中，有關(guān)內(nèi)存使用的問(wèn)題是最難發(fā)現(xiàn)和解決的。這些問(wèn)題可能導(dǎo)致程序莫名其妙地停止、崩潰，或者不斷消耗內(nèi)存直至資源耗盡。由于C/C++語(yǔ)言本身的特質(zhì)和歷史原因，程序員使用內(nèi)存需要注意的事項(xiàng)較多，而且語(yǔ)言本身也不提供類似Java的垃圾清理機(jī)制。編程人員使用一定的工具來(lái)查找和調(diào)試內(nèi)存相關(guān)問(wèn)題是十分必要的。
總的說(shuō)來(lái)，與內(nèi)存有關(guān)的問(wèn)題可以分成兩類：內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤和內(nèi)存使用錯(cuò)誤。內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤包括錯(cuò)誤地讀取內(nèi)存和錯(cuò)誤地寫內(nèi)存。錯(cuò)誤地讀取內(nèi)存可能讓你的模塊返回意想不到的結(jié)果，從而導(dǎo)致后續(xù)的模塊運(yùn)行異常。錯(cuò)誤地寫內(nèi)存可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。內(nèi)存使用方面的錯(cuò)誤主要是指申請(qǐng)的內(nèi)存沒(méi)有正確釋放，從而使程序運(yùn)行逐漸減慢，直至停止。這方面的錯(cuò)誤由于表現(xiàn)比較慢很難被人工察覺。程序也許運(yùn)行了很久才會(huì)耗凈資源，發(fā)生問(wèn)題。
1.1 內(nèi)存解剖
一個(gè)典型的C++內(nèi)存布局如下圖所示：
自底向上，內(nèi)存中依次存放著只讀的程序代碼和數(shù)據(jù)，全局變量和靜態(tài)變量，堆中的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)變量和堆棧中的自動(dòng)變量。自動(dòng)變量就是在函數(shù)內(nèi)聲明的局部變量。當(dāng)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，它們被壓入棧；當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，它們就要被彈出堆棧。堆棧的使用基本上由系統(tǒng)控制，用戶一般不會(huì)直接對(duì)其進(jìn)行控制，所以堆棧的使用還是相對(duì)安全的。動(dòng)態(tài)內(nèi)存是一柄雙刃劍：它可以提供程序員更靈活的內(nèi)存使用方法，而且有些算法沒(méi)有動(dòng)態(tài)內(nèi)存會(huì)很難實(shí)現(xiàn)；但是動(dòng)態(tài)內(nèi)存往往是內(nèi)存問(wèn)題存在的沃土。
1.2 內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤
相對(duì)用戶使用的語(yǔ)言，動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)一般由malloc/new來(lái)完成，釋放由free/delete完成。基本的原則可以總結(jié)為：一對(duì)一，不混用。也就是說(shuō)一個(gè)malloc必須對(duì)應(yīng)一且唯一的free；new對(duì)應(yīng)一且唯一的delete; malloc不能和delete, new不能和free對(duì)應(yīng)。另外在C++中要注意delete和delete[]的區(qū)別。delete用來(lái)釋放單元變量，delete[]用來(lái)釋放數(shù)組等集聚變量。有關(guān)這方面的詳細(xì)信息可以參考[C++Adv]。
我們可以將內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤大致分成以下幾類：數(shù)組越界讀或?qū)憽⒃L問(wèn)未初始化內(nèi)存、訪問(wèn)已經(jīng)釋放的內(nèi)存和重復(fù)釋放內(nèi)存或釋放非法內(nèi)存。
下面的代碼集中顯示了上述問(wèn)題的典型例子：
1 #include <iostream>
2 using namespace std;
3 int main(){
4 char* str1="four";
5 char* str2=new char[4]; //not enough space
6 char* str3=str2;
7 cout<<str2<<endl; //UMR
8 strcpy(str2,str1); //ABW
9 cout<<str2<<endl; //ABR
10 delete str2;
11 str2[0]+=2; //FMR and FMW
12 delete str3; //FFM
13 }
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由以上的程序，我們可以看到：在第5行分配內(nèi)存時(shí)，忽略了字符串終止符"\0"所占空間導(dǎo)致了第8行的數(shù)組越界寫（Array Bounds Write）和第9行的數(shù)組越界讀（Array Bounds Read）; 在第7行，打印尚未賦值的str2將產(chǎn)生訪問(wèn)未初始化內(nèi)存錯(cuò)誤（Uninitialized Memory Read）;在第11行使用已經(jīng)釋放的變量將導(dǎo)致釋放內(nèi)存讀和寫錯(cuò)誤(Freed Memory Read and Freed Memory Write)；最后由于str3和str2所指的是同一片內(nèi)存，第12行又一次釋放了已經(jīng)被釋放的空間 (Free Freed Memory)。
這個(gè)包含許多錯(cuò)誤的程序可以編譯連接，而且可以在很多平臺(tái)上運(yùn)行。但是這些錯(cuò)誤就像定時(shí)炸彈，會(huì)在特殊配置下觸發(fā)，造成不可預(yù)見的錯(cuò)誤。這就是內(nèi)存錯(cuò)誤難以發(fā)現(xiàn)的一個(gè)主要原因。
1.3 內(nèi)存使用錯(cuò)誤
內(nèi)存使用錯(cuò)誤主要是指內(nèi)存泄漏，也就是指申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存沒(méi)有被正確地釋放，或者是沒(méi)有指針可以訪問(wèn)這些內(nèi)存。這些小的被人遺忘的內(nèi)存塊占據(jù)了一定的地址空間。當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)，這些越來(lái)越多的小塊將最終導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存耗盡。內(nèi)存使用錯(cuò)誤比內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤更加難以發(fā)現(xiàn)。這主要有兩點(diǎn)原因：第一，內(nèi)存使用錯(cuò)誤是"慢性病"，它的癥狀可能不會(huì)在少數(shù)、短時(shí)間的運(yùn)行中體現(xiàn)；第二，內(nèi)存使用錯(cuò)誤是因?yàn)?不做為"（忘記釋放內(nèi)存）而不是"做錯(cuò)"造成的。這樣由于忽略造成的錯(cuò)誤在檢查局部代碼時(shí)很難發(fā)現(xiàn)，尤其是當(dāng)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜的時(shí)候。
2．Purify的原理及使用
IBM Rational PurifyPlus是一組程序運(yùn)行時(shí)的分析軟件。她包括了程序性能瓶頸分析軟件Quantify， 程序覆蓋面分析軟件PureCoverage，和本文的主角：程序運(yùn)行錯(cuò)誤分析軟件Purify。Purify可以發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存訪問(wèn)，內(nèi)存泄漏和其他難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。
同時(shí)她也是市場(chǎng)上唯一支持多種平臺(tái)的類似工具，并且可以和很多主流開發(fā)工具集成。Purify可以檢查應(yīng)用的每一個(gè)模塊，甚至可以查出復(fù)雜的多線程或進(jìn)程應(yīng)用中的錯(cuò)誤。另外她不僅可以檢查C/C++，還可以對(duì)Java或.NET中的內(nèi)存泄漏問(wèn)題給出報(bào)告。
2.1 Purify的原理
程序運(yùn)行時(shí)的分析可以采用多種方法。Purify使用了具有專利的目標(biāo)代碼插入技術(shù)（OCI：Object Code Insertion）。她在程序的目標(biāo)代碼中插入了特殊的指令用來(lái)檢查內(nèi)存的狀態(tài)和使用情況。這樣做的好處是不需要修改源代碼，只需要重新編譯就可以對(duì)程序進(jìn)行分析。
對(duì)于所有程序中使用的動(dòng)態(tài)內(nèi)存，Purify將它們按照狀態(tài)進(jìn)行歸類。這可以由下圖來(lái)說(shuō)明（來(lái)自[DEV205]）：
參見本文中以上給出的代碼，在程序第5行執(zhí)行后，str2處于黃色狀態(tài)。當(dāng)在第7行進(jìn)行讀的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)告一個(gè)訪問(wèn)未初始化內(nèi)存錯(cuò)誤（Uninitialized Memory Read）。因?yàn)橹挥性诰G色狀態(tài)下，內(nèi)存才可以被合法訪問(wèn)。
為了檢查數(shù)據(jù)越界錯(cuò)誤（ABR，ABW），Purify還在每個(gè)分配的內(nèi)存前后插入了紅色區(qū)域。這樣一來(lái)，超過(guò)邊界的訪問(wèn)指令必定落在非法區(qū)域，從而觸發(fā)ABR或者ABW錯(cuò)誤報(bào)告。這里需要指出一點(diǎn)。訪問(wèn)未初始化內(nèi)存錯(cuò)誤UMR在某些情況下其實(shí)是合法的操作，例如內(nèi)存拷貝。所以在分析報(bào)告時(shí)可以把UMR放到最后，或者干脆從結(jié)果中濾除。
2.2 Purify的使用
這里簡(jiǎn)單介紹一下Purify在Windows和UNIX環(huán)境下的使用。
在Windows中，只要運(yùn)行Purify，填入需要分析的程序及參數(shù)就可。Purify會(huì)自動(dòng)插入檢測(cè)代碼并顯示報(bào)告。報(bào)告的格式如下（來(lái)自[DEV205]）：
藍(lán)色的圖標(biāo)代表一些運(yùn)行的信息，比如開始和結(jié)束等。黃色是Purify給出的警告。通常UMR會(huì)作為警告列出。紅色則代表嚴(yán)重的錯(cuò)誤。每一種相同的錯(cuò)誤，尤其是在循環(huán)中的，會(huì)被集中在一起顯示，并且標(biāo)明發(fā)生的次數(shù)。由每個(gè)錯(cuò)誤的詳細(xì)信息，用戶可以知道相應(yīng)的內(nèi)存地址和源代碼的位置，并直接修改。另外用戶還可以設(shè)置不同的濾過(guò)器，用來(lái)隱藏暫時(shí)不關(guān)心的消息。
在UNIX系統(tǒng)中，使用Purify需要重新編譯程序。通常的做法是修改Makefile中的編譯器變量。下面是用來(lái)編譯本文中程序的Makefile：
CC=purify gcc
all: pplusdemo
pplusdemo: pplusdemo.o
$(CC) -o pplusdemo pplusdemo.o -lstdc++
pplusdemo.o: pplusdemo.cpp
$(CC) -g -c -w pplusdemo.cpp
clean:
-rm pplusdemo pplusdemo.o
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首先運(yùn)行Purify安裝目錄下的purifyplus_setup.sh來(lái)設(shè)置環(huán)境變量，然后運(yùn)行make重新編譯程序。需要指出的是，程序必須編譯成調(diào)試版本。在gcc中，也就是必須使用"-g"選項(xiàng)。在重新編譯的程序運(yùn)行結(jié)束后，Purify會(huì)打印出一個(gè)分析報(bào)告。它的格式和含義與Windows平臺(tái)大同小異。
下面是本文中的程序在Linux上Purify運(yùn)行的結(jié)果：
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
UMR: Uninitialized memory read:
* This is occurring while in:
strlen [rtlib.o]
std::basic_ostream< char,std::char_traits< char>> & std::operator
<<<std::char_traits< char>>(std::basic_ostream< char,std::char_traits<
char>> &, char const *) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:7]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Reading 1 byte from 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
ABW: Array bounds write:
* This is occurring while in:
strcpy [rtlib.o]
main [pplusdemo.cpp:8]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Writing 5 bytes to 0x80b45e0 in the heap (1 byte at 0x80b45e4 illegal).
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
ABR: Array bounds read:
* This is occurring while in:
strlen [rtlib.o]
std::basic_ostream< char,std::char_traits< char>> & std::operator
<<<std::char_traits< char>>(std::basic_ostream< char,std::char_traits<
char>> &, char const *) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:9]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Reading 5 bytes from 0x80b45e0 in the heap (1 byte at 0x80b45e4 illegal).
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FMM: Freeing mismatched memory:
* This is occurring while in:
operator delete( void *) [rtlib.o]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Attempting to free block at 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a malloc'd block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* This block of memory was obtained using an allocation routine which is
not compatible with the routine by which it is being freed.
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FMR: Free memory read:
* This is occurring while in:
main [pplusdemo.cpp:11]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Reading 1 byte from 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a freed block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* There have been 0 frees since this block was freed from:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FMW: Free memory write:
* This is occurring while in:
main [pplusdemo.cpp:11]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Writing 1 byte to 0x80b45e0 in the heap.
* Address 0x80b45e0 is at the beginning of a freed block of 4 bytes.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* There have been 0 frees since this block was freed from:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
FUM: Freeing unallocated memory:
* This is occurring while in:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:12]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* Attempting to free block at 0x80b45e0 already freed.
* This block was allocated from:
malloc [rtlib.o]
operator new( unsigned) [libstdc++.so.5]
operator new []( unsigned) [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:5]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
* There have been 1 frees since this block was freed from:
free [rtlib.o]
_ZdLpV [libstdc++.so.5]
main [pplusdemo.cpp:10]
__libc_start_main [libc.so.6]
_start [crt1.o]
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
Current file descriptors in use: 5
FIU: file descriptor 0: <stdin>
FIU: file descriptor 1: <stdout>
FIU: file descriptor 2: <stderr>
FIU: file descriptor 26: <reserved for Purify internal use>
FIU: file descriptor 27: <reserved for Purify internal use>
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
Purify: Searching for all memory leaks...
Memory leaked: 0 bytes (0%); potentially leaked: 0 bytes (0%)
Purify Heap Analysis (combining suppressed and unsuppressed blocks)
Blocks Bytes
Leaked 0 0
Potentially Leaked 0 0
In-Use 0 0
----------------------------------------
Total Allocated 0 0
**** Purify instrumented ./pplusdemo (pid 30669) ****
* Program exited with status code 0.
* 7 access errors, 7 total occurrences.
* 0 bytes leaked.
* 0 bytes potentially leaked.
* Basic memory usage (including Purify overhead):
290012 code
152928 data/bss
6816 heap (peak use)
7800 stack
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我們對(duì)照程序可以發(fā)現(xiàn)Purify查出了程序中所有的錯(cuò)誤。對(duì)于每個(gè)錯(cuò)誤，她不但給出了源代碼的位置還指出這些內(nèi)存最初分配的源代碼位置。這對(duì)于查找問(wèn)題提供了很大幫助。對(duì)于程序12行的解釋，Purify將其認(rèn)為是不匹配的內(nèi)存釋放（FMM: Freeing mismatched memory），因?yàn)樗J(rèn)為這樣的釋放方式不符合嚴(yán)格的規(guī)定。
Purify在其報(bào)告和文檔中使用了很多的縮寫，在此一并列出，以便讀者在使用時(shí)參考（來(lái)自[Purify]）：
2.3 Purify的一些特性
這里簡(jiǎn)單介紹一下Purify提供的幾個(gè)特性。有關(guān)這些特性的詳細(xì)信息，請(qǐng)查閱文檔[Purify]。
- 觀察點(diǎn)（Watchpoint）：通過(guò)在程序或者調(diào)試器中調(diào)用Purify 提供的觀察點(diǎn)函數(shù)，Purify可以報(bào)告有關(guān)被觀察對(duì)象的讀寫或其他操作。
- 與Rational其他產(chǎn)品的集成：在Puify的用戶界面中可以方便地進(jìn)入ClearCase和ClearQuest。Purify還可以和PureCoverage同時(shí)使用，對(duì)程序進(jìn)行分析。
- Purify的定制：無(wú)論是Purify報(bào)告中的消息，還是界面中的元素，都可以進(jìn)行一定程度的定制。另外通過(guò)修改配置文件和調(diào)用Purify API，用戶還可以自動(dòng)記錄運(yùn)行日志，發(fā)送電子郵件等。
- Purify提供的API：為了更好地把Purify融合到自動(dòng)化測(cè)試的體系中，Purify提供了一系列的公開函數(shù)。用戶完全可以通過(guò)腳本的方式自動(dòng)運(yùn)行，記錄，和分析Purify。
3．總結(jié)
當(dāng)使用C/C++進(jìn)行開發(fā)時(shí)，采用良好的一致的編程規(guī)范是防止內(nèi)存問(wèn)題第一道也是最重要的措施。在此前提下，IBM Rational Purify作為一種運(yùn)行時(shí)分析軟件可以很好地幫助您發(fā)現(xiàn)忽略的內(nèi)存問(wèn)題，或成為軟件自動(dòng)測(cè)試中的一個(gè)重要組成部分。
4．參考資料
[C++Adv]
[DEV205] Essentials of Rational PurifyPlus
[Purify] IBM Rational PurifyPlus for Linux and UNIX Documentation
關(guān)于作者
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蔡林，IBM 中國(guó)軟件開發(fā)中心軟件工程師，2004年獲得美國(guó)Baylor University計(jì)算機(jī)系碩士學(xué)位，同年加入IBM 中國(guó)軟件開發(fā)中心，從事Rational ClearQuest G11N的開發(fā)工作。
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