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点评：Linux编程中五款内存调试器
Credit: Moini
作为一个程序员，我知道我总在犯错误——事实是，怎么可能会不犯错的！程序员也是人啊。有的错误能在编码过程中及时发现，而有些却得等到软件测试才显露出来。然而，还有一类错误并不能在这两个时期被排除，从而导致软件不能正常运行，甚至是提前中止。
想到了吗？我说的就是内存相关的错误。手动调试这些错误不仅耗时，而且很难发现并纠正。值得一提的是，这种错误非常常见，特别是在用 C/C++ 这类允许手动管理内存的语言编写的软件里。
幸运的是，现行有一些编程工具能够帮你找到软件程序中这些内存相关的错误。在这些工具集中，我评定了五款Linux可用的，流行、免费并且开源的内存调试器： Dmalloc 、 Electric Fence 、 Memcheck 、 Memwatch 以及 Mtrace 。在日常编码中，我已经把这五个调试器用了个遍，所以这些点评是建立在我的实际体验之上的。
Dmalloc
开发者：Gray Watson
点评版本：5.5.2
支持的 Linux：所有种类
许可：知识共享署名-相同方式共享许可证 3.0
Dmalloc 是 Gray Watson 开发的一款内存调试工具。它实现成库，封装了标准内存管理函数如 malloc() , calloc() , free() 等，使程序员得以检测出有问题的代码。
Dmalloc
如同工具的网页所列，这个调试器提供的特性包括内存泄漏跟踪、重复释放(double free)错误跟踪、以及越界写入(fence-post write)检测。其它特性包括文件/行号报告、普通统计记录。
更新内容
5.5.2 版本是一个 bug 修复发行版，同时修复了构建和安装的问题。
有何优点
Dmalloc 最大的优点就是高度可配置性。比如说，你可以配置以支持 C++ 程序和多线程应用。 Dmalloc 还提供一个有用的功能：运行时可配置，这表示在 Dmalloc 执行时，可以轻易地使能或者禁能它提供的特性。
你还可以配合 GNU Project Debugger (GDB)来使用 Dmalloc ，只需要将 dmalloc.gdb 文件（位于 Dmalloc 源码包中的 contrib 子目录里）的内容添加到你的主目录中的 .gdbinit 文件里即可。
另外一个让我对 Dmalloc 爱不释手的优点是它有大量的资料文献。前往官网的 Documentation 标签，可以获取所有关于如何下载、安装、运行，怎样使用库，和 Dmalloc 所提供特性的细节描述，及其输入文件的解释。其中还有一个章节介绍了一般问题的解决方法。
注意事项
跟 Mtrace 一样， Dmalloc 需要程序员改动他们的源代码。比如说你可以（必须的）添加头文件 dmalloc.h ，工具就能汇报产生问题的调用的文件或行号。这个功能非常有用，因为它节省了调试的时间。
除此之外，还需要在编译你的程序时，把 Dmalloc 库（编译源码包时产生的）链接进去。
然而，还有点更麻烦的事，需要设置一个环境变量，命名为 DMALLOC_OPTION ，以供工具在运行时配置内存调试特性，以及输出文件的路径。可以手动为该环境变量分配一个值，不过初学者可能会觉得这个过程有点困难，因为该值的一部分用来表示要启用的 Dmalloc 特性——表示为各自的十六进制值的累加。这里有详细介绍。
一个比较简单方法设置这个环境变量是使用 Dmalloc 实用指令，这是专为这个目的设计的方法。
总结
Dmalloc 真正的优势在于它的可配置选项。而且高度可移植，曾经成功移植到多种操作系统如 AIX 、 BSD/OS 、 DG/UX 、 Free/Net/OpenBSD 、 GNU/Hurd 、 HPUX 、 Irix 、 Linux 、 MS-DOG 、 NeXT 、 OSF 、 SCO 、 Solaris 、 SunOS 、 Ultrix 、 Unixware 甚至 Unicos（运行在 Cray T3E 主机上）。虽然使用 Dmalloc 需要学习许多知识，但是它所提供的特性值得为之付出。
Electric Fence
开发者：Bruce Perens
点评版本：2.2.3
支持的 Linux：所有种类
许可：GNU 通用公共许可证 (第二版)
Electric Fence 是 Bruce Perens 开发的一款内存调试工具，它以库的形式实现，你的程序需要链接它。Electric Fence 能检测出栈内存溢出和访问已经释放的内存。
Electric Fence
顾名思义， Electric Fence 在每个申请的缓存边界建立了 virtual fence（虚拟围栏），任何非法内存访问都会导致段错误。这个调试工具同时支持 C 和 C++ 程序。
更新内容
2.2.3 版本修复了工具的构建系统，使得 -fno-builtin-malloc 选项能真正传给 GNU Compiler Collection (GCC)。
有何优点
我喜欢 Electric Fence 首要的一点是它（不同于 Memwatch 、 Dmalloc 和 Mtrace ，）不需要你的源码做任何的改动，你只需要在编译的时候把它的库链接进你的程序即可。
其次， Electric Fence 的实现保证了导致越界访问( a bounds violation )的第一个指令就是引起段错误的原因。这比在后面再发现问题要好多了。
不管是否有检测出错误， Electric Fence 都会在输出产生版权信息。这一点非常有用，由此可以确定你所运行的程序已经启用了 Electric Fence 。
注意事项
另一方面，我对 Electric Fence 真正念念不忘的是它检测内存泄漏的能力。内存泄漏是 C/C++ 软件最常见也是最难隐秘的问题之一。不过， Electric Fence 不能检测出堆内存溢出，而且也不是线程安全的。
由于 Electric Fence 会在用户分配内存区的前后分配禁止访问的虚拟内存页，如果你过多的进行动态内存分配，将会导致你的程序消耗大量的额外内存。
Electric Fence 还有一个局限是不能明确指出错误代码所在的行号。它所能做只是在监测到内存相关错误时产生段错误。想要定位行号，需要借助 The Gnu Project Debugger ( GDB )这样的调试工具来调试启用了 Electric Fence 的程序。
最后一点，尽管 Electric Fence 能检测出大部分的缓冲区溢出，有一个例外是，如果所申请的缓冲区大小不是系统字长的倍数，这时候溢出（即使只有几个字节）就不能被检测出来。
总结
尽管局限性较大， Electric Fence 的易用性仍然是加分项。只要链接一次程序， Electric Fence 就可以在监测出内存相关问题的时候报警。不过，如同前面所说， Electric Fence 需要配合像 GDB 这样的源码调试器使用。
Memcheck
开发者：Valgrind 开发团队
点评版本：3.10.1
支持的 Linux：所有种类
许可：通用公共许可证
Valgrind 是一个提供好几款调试和 Linux 程序性能分析工具的套件。虽然 Valgrind 能和编写语言各不相同（有 Java 、 Perl 、 Python 、 Assembly code 、 ortran 、 Ada等等）的程序配合工作，但是它所提供的工具主要针对用 C/C++ 所编写的程序。
Memcheck ，一款内存错误检测器，是其中最受欢迎的工具。它能够检测出如内存泄漏、无效的内存访问、未定义变量的使用以及栈内存分配和释放相关的问题等诸多问题。
更新内容
工具套件( 3.10.1 )的发行版是一个副版本，主要修复了 3.10.0 版本发现的 bug 。除此之外，从主版本向后移植（标音： backport ）一些包，修复了缺失的 AArch64 ARMv8 指令和系统调用。
有何优点
同其它所有 Valgrind 工具一样， Memcheck 也是命令行实用程序。它的操作非常简单：通常我们会使用诸如 prog arg1 arg2 格式的命令来运行程序，而 Memcheck 只要求你多加几个值即可，如 valgrind --leak-check=full prog arg1 arg2 。
Memcheck
（注意：因为 Memcheck 是 Valgrind 的默认工具所以无需提及 Memcheck。但是，需要在编译程序之初带上 -g 参数选项，这一步会添加调试信息，使得 Memcheck 的错误信息会包含正确的行号。）
我真正倾心于 Memcheck 的是它提供了很多命令行选项（如上所述的 --leak-check 选项），如此不仅能控制工具运转还可以控制它的输出。
举个例子，可以开启 --track-origins 选项，以查看程序源码中未初始化的数据；可以开启 --show-mismatched-frees 选项让 Memcheck 匹配内存的分配和释放技术。对于 C 语言所写的代码， Memcheck 会确保只能使用 free() 函数来释放内存， malloc() 函数来申请内存。而对 C++ 所写的源码， Memcheck 会检查是否使用了 delete 或 delete[] 操作符来释放内存，以及 new 或者new[] 来申请内存。
Memcheck 最好的特点，尤其是对于初学者来说，是它会给用户建议使用哪个命令行选项能让输出更加有意义。比如说，如果你不使用基本的 --leak-check 选项， Memcheck 会在输出时建议“使用 --leak-check=full 重新运行以查看更多泄漏内存细节”。如果程序有未初始化的变量， Memcheck 会产生信息“使用 --track-origins=yes 以查看未初始化变量的定位”。
Memcheck 另外一个有用的特性是它可以创建抑制文件( suppression files )，由此可以忽略特定不能修正的错误，这样 Memcheck 运行时就不会每次都报警了。值得一提的是， Memcheck 会去读取默认抑制文件来忽略系统库（比如 C 库）中的报错，这些错误在系统创建之前就已经存在了。可以选择创建一个新的抑制文件，或是编辑现有的文件(通常是*/usr/lib/valgrind/default.supp*)。
Memcheck 还有高级功能，比如可以使用定制内存分配器来检测内存错误。除此之外， Memcheck 提供监控命令，当用到 Valgrind 内置的 gdbserver ，以及客户端请求机制（不仅能把程序的行为告知 Memcheck ，还可以进行查询）时可以使用。
注意事项
毫无疑问， Memcheck 可以节省很多调试时间以及省去很多麻烦。但是它使用了很多内存，导致程序执行变慢（由文档可知，大概花上 20 至 30 倍时间）。
除此之外， Memcheck 还有其它局限。根据用户评论， Memcheck 明显不是线程安全的；它不能检测出 静态缓冲区溢出；还有就是，一些 Linux 程序如 GNU Emacs 目前还不能使用 Memcheck 。
如果有兴趣，可以在这里查看 Valgrind 详尽的局限性说明。
总结
无论是对于初学者还是那些需要高级特性的人来说， Memcheck 都是一款便捷的内存调试工具。如果你仅需要基本调试和错误核查， Memcheck 会非常容易上手。而当你想要使用像抑制文件或者监控指令这样的特性，就需要花一些功夫学习了。
虽然罗列了大量的局限性，但是 Valgrind（包括 Memcheck ）在它的网站上声称全球有成千上万程序员使用了此工具。开发团队称收到来自超过 30 个国家的用户反馈，而这些用户的工程代码有的高达 2.5 千万行。
Memwatch
开发者：Johan Lindh
点评版本：2.71
支持的 Linux：所有种类
许可：GNU通用公共许可证
Memwatch 是由 Johan Lindh 开发的内存调试工具，虽然它主要扮演内存泄漏检测器的角色，但是（根据网页介绍）它也具有检测其它如重复释放跟踪和内存错误释放、缓冲区溢出和下溢、野指针写入等等内存相关问题的能力。
Memwatch 支持用 C 语言所编写的程序。也可以在 C++ 程序中使用它，但是这种做法并不提倡（由 Memwatch 源码包随附的 Q&A 文件中可知）。
更新内容
这个版本添加了 ULONG_LONG_MAX 以区分 32 位和 64 位程序。
有何优点
跟 Dmalloc 一样， Memwatch 也有优秀的文档资料。参考 USING 文件，可以学习如何使用 Memwatch ，可以了解 Memwatch 是如何初始化、如何清理以及如何进行 I/O 操作，等等。还有一个 FAQ 文件，旨在帮助用户解决使用过程遇到的一般问题。最后还有一个 test.c 文件提供工作案例参考。
Memwatch
不同于 Mtrace ， Memwatch 的输出产生的日志文件（通常是 memwatch.log ）是人类可阅读格式。而且， Memwatch 每次运行时总会拼接内存调试输出到文件末尾。如此便可在需要之时，轻松查看之前的输出信息。
同样值得一提的是当你执行了启用 Memwatch 的程序， Memwatch 会在标准输出中产生一个单行输出，告知发现了错误，然后你可以在日志文件中查看输出细节。如果没有产生错误信息，就可以确保日志文件不会写入任何错误，多次运行的话确实能节省时间。
另一个我喜欢的优点是 Memwatch 还提供了在源码中获取其输出信息的方式，你可以获取信息，然后任由你进行处理（参考 Memwatch 源码中的 mwSetOutFunc() 函数获取更多有关的信息）。
注意事项
跟 Mtrace 和 Dmalloc 一样， Memwatch 也需要你往你的源文件里增加代码：你需要把 memwatch.h 这个头文件包含进你的代码。而且，编译程序的时候，你需要连同 memwatch.c 一块编译；或者你可以把已经编译好的目标模块包含起来，然后在命令行定义 MEMWATCH 和 MW_STDIO 变量。不用说，想要在输出中定位行号， -g 编译器选项也少不了。
此外， Memwatch 缺少一些特性。比如 Memwatch 不能检测出往一块已经被释放的内存写入操作，或是在分配的内存块之外的读取操作。而且， Memwatch 也不是线程安全的。还有一点，正如我在开始时指出，在 C++ 程序上运行 Memwatch 的结果是不能预料的。
总结
Memcheck 可以检测很多内存相关的问题，在处理 C 程序时是非常便捷的调试工具。因为源码小巧，所以可以从中了解 Memcheck 如何运转，有需要的话可以调试它，甚至可以根据自身需求扩展升级它的功能。
Mtrace
开发者: Roland McGrath and Ulrich Drepper
点评版本: 2.21
支持的 Linux：所有种类
许可：GNU 通用公共许可证
Mtrace 是 GNU C 库中的一款内存调试工具，同时支持 Linux 上的 C 和 C++ 程序，检测由 malloc() 和 free() 函数的不对等调用所引起的内存泄漏问题。
Mtrace
Mtrace 实现为对 mtrace() 函数的调用，跟踪程序中所有 malloc/free 调用，并在用户指定的文件中记录相关信息。文件以一种机器可读的格式记录数据，所以有一个 Perl 脚本（同样命名为 mtrace ）用来把文件转换并展示为人类可读格式。
更新内容
Mtrace 源码和 Perl 文件同 GNU C 库( 2.21 版本)一起释出，除了更新版权日期，其它别无改动。
有何优点
Mtrace 最优秀的特点是非常简单易学。你只需要了解在你的源码中如何以及何处添加mtrace()及其对立的muntrace()函数，还有如何使用Mtrace的Perl脚本。后者非常简单，只需要运行指令 mtrace （例子见开头截图最后一条指令）。
Mtrace 另外一个优点是它的可收缩性，体现在，不仅可以使用它来调试完整的程序，还可以使用它来检测程序中独立模块的内存泄漏。只需在每个模块里调用 mtrace() 和 muntrace() 即可。
最后一点，因为 Mtrace 会在 mtace()（在源码中添加的函数）执行时被触发，因此可以很灵活地使用信号动态地（在程序执行周期内）使能 Mtrace 。
注意事项
因为 mtrace() 和 mauntrace() 函数（声明在 mcheck.h 文件中，所以必须在源码中包含此头文件）的调用是 Mtrace 运行（ mauntrace() 函数并非总是必要）的根本，因此 Mtrace 要求程序员至少改动源码一次。
需要注意的是，在编译程序的时候带上 -g 选项（ GCC 和 G++ 编译器均有提供），才能使调试工具在输出展示正确的行号。除此之外，有些程序（取决于源码体积有多大）可能会花很长时间进行编译。最后，带 -g 选项编译会增加了可执行文件的内存（因为提供了额外的调试信息），因此记得程序需要在测试结束后，不带 -g 选项重新进行编译。
使用 Mtrace ，你需要掌握 Linux 环境变量的基本知识，因为在程序执行之前，需要把用户指定的文件（ mtrace() 函数将会记录全部信息到其中）路径设置为环境变量 MALLOC_TRACE 的值。
Mtrace 在检测内存泄漏和尝试释放未经过分配的内存方面存在局限。它不能检测其它内存相关问题如非法内存访问、使用未初始化内存。而且，有人抱怨 Mtrace 不是线程安全的。
总结
不言自明，我在此讨论的每款内存调试器都有其优点和局限。所以，哪一款适合你取决于你所需要的特性，虽然有时候容易安装和使用也是一个决定因素。
要想捕获软件程序中的内存泄漏， Mtrace 最适合不过了。它还可以节省时间。由于 Linux 系统已经预装了此工具，对于不能联网或者不可以下载第三方调试调试工具的情况， Mtrace 也是极有助益的。
另一方面，相比 Mtrace ， Dmalloc 不仅能检测更多错误类型，还提供更多特性，比如运行时可配置、 GDB 集成。而且， Dmalloc 不像这里所说的其它工具，它是线程安全的。更不用说它的详细资料了，这让 Dmalloc 成为初学者的理想选择。
虽然 Memwatch 的资料比 Dmalloc 的更加丰富，而且还能检测更多的错误种类，但是你只能在 C 语言写就的程序中使用它。一个让 Memwatch 脱颖而出的特性是它允许在你的程序源码中处理它的输出，这对于想要定制输出格式来说是非常有用的。
如果改动程序源码非你所愿，那么使用 Electric Fence 吧。不过，请记住， Electric Fence 只能检测两种错误类型，而此二者均非内存泄漏。还有就是，需要了解 GDB 基础以最大化发挥这款内存调试工具的作用。
Memcheck 可能是其中综合性最好的了。相比这里提及的其它工具，它能检测更多的错误类型，提供更多的特性，而且不需要你的源码做任何改动。但请注意，基本功能并不难上手，但是想要使用它的高级特性，就必须学习相关的专业知识了。
via: http://www.computerworld.com/article/3003957/linux/review-5-memory-debuggers-for-linux-coding.html
作者：Himanshu Arora 译者：soooogreen 校对：PurlingNayuki