Марк Митчелл - Программирование для Linux. Профессиональный подход

• Название: Программирование для Linux. Профессиональный подход
• Автор: Марк Митчелл
• Издательство: Вильямс
• Жанр: Программирование
• Год: 2002
• ISBN: 5-8459-0243-6

Данная книга в основном посвящена программированию в среде GNU/Linux. Авторы применяют обучающий подход, последовательно излагая самые важные концепции и методики использования расширенных возможностей системы GNU/Linux в прикладных программах. Читатели научатся писать программы, к интерфейсу которых привыкли пользователи Linux; освоят такие технологии, как многозадачность, многопотоковое программирование, межзадачное взаимодействие и взаимодействие с аппаратными устройствами; смогут улучшить свои программы, сделав их быстрее, надежнее и безопаснее; поймут особенности системы GNU/Linux, ее ограничения, дополнительные возможности и специфические соглашения.

Книга предназначена для программистов, уже знакомых с языком С и имеющих базовый опыт работы в GNU/Linux.

---

А.2.1. Программа для тестирования динамической памяти

Программа malloc-use, приведенная в листинге А.2, позволяет тестировать операции выделения, освобождения и обращения к памяти. Единственный аргумент командной строки задает максимальное число выделяемых буферов. Например, по команде malloc-use 12 будет создан массив А из двенадцати пустых указателей. Программа принимает пять разных команд.

■ Если ввести a i b, для элемента массива А[i] будет выделено b байтов. Индекс i должен быть неотрицательным числом, меньшим, чем аргумент командной строки. Число байтов также должно быть неотрицательным.

■ Если ввести d i, будет удален буфер A[i].

■ Если ввести r i p, из буфера A[i] будет прочитан p-й символ (A[i][p]). Значение p должно быть целым.

■ Если ввести w i p, в позицию p буфера A[i] будет записан символ.

■ Для завершения работы программы введите q.

Прежде чем привести исходный текст программы, опишем, как работать с ней.

А.2.2. Проверка функции malloc()

Функции выделения и освобождения памяти, имеющиеся в GNU-библиотеке языка С, способны обнаруживать факт записи в память до начала выделенной области, а также попытку освободить одну и ту же область дважды. Если задать переменную среды MALLOC_CHECK_ равной 2, программа malloc-use аварийно завершит работу в случае выявления такого рода ошибки. Подобное изменение поведения не требует перекомпиляции программы.

Вот что произойдет, если записать символ перед началом массива;

% export MALLOC_CHECK_=2

% ./malloc-use 12

Please enter a command: a 0 10

Please enter a command: w 0 -1

Please enter a command: d 0

Aborted (core dumped)

Команда export включила проверку функции malloc(), а значение 2 заставило программу завершиться сразу после обнаружения ошибки.

Проверка функции malloc() очень полезна, потому что программу не нужно перекомпилировать, однако возможности этой проверки весьма ограничены. В основном определяется, не были ли повреждены выделенные структуры данных. Таким образом, сразу же обнаруживаются попытки повторно удалить ту же самую область. Кроме того, выявляется факт записи данных непосредственно перед началом выделенного блока, поскольку его размер хранится именно там. К сожалению, проверка выполняется только тогда, когда программа вызывает функцию malloc() или free(), а не когда происходит обращение к памяти. То есть до обнаружения ошибки может произойти множество неправильных операций чтения и записи. В частности, в предыдущем примере ошибка записи была выявлена лишь при попытке освободить выделенную область.

А.2.3. Поиск потерянных блоков памяти с помощью утилиты mtrace

Утилита mtrace позволяет выявить наиболее распространенную ошибку при работе с динамической памятью: несоответствие числа операций выделения и освобождения памяти. Алгоритм применения утилиты таков.

1. Включите в программу файл <mcheck.h> и разместите в самом начале программы вызов функции mtrace(). Эта функция активизирует трассировку операций выделения и освобождения памяти.

2. Задайте имя файла, в котором будет сохраняться трассировочная информация. Это делается следующим образом:

% export MALLOC_TRACE=memory.log

3. Запустите программу. Все операции выделения и освобождения памяти будут зарегистрированы в журнальном файле.

4. Вызовите утилиту mtrace, которая проверит, совпадает ли число выделенных блоков памяти с числом освобожденных блоков.

% mtrace my_program $MALLOC_TRACE

Сообщения, выдаваемые утилитой mtrace, достаточно понятны. Например, в случае программы malloc-use будет получена такая информация:

- 0000000000 Free 3 was never alloc'd malloc-use.с:39

Memory not freed:

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

Address    Size    Caller

0x08049d48  0xc at malloc-use.с:30

Эти сообщения говорят о том, что в строке 39 файла malloc-use.c делается попытка освободить память, которая никогда не была выделена, а память, выделенная в строке 30, так и не была освобождена.

Функция malloc() заставляет программу фиксировать все операции выделения и освобождения памяти в файле, указанном в переменной среды MALLOC_TRACE. Чтобы данные были записаны в файл, программа должна завершиться нормальным образом. Утилита mtrace анализирует этот файл и находит в нем непарные записи.

А.2.4. Библиотека ccmalloc

Библиотека ccmalloc замещает функции malloc() и free() кодом трассировки. Если программа завершается успешно, создается отчет о потерянных блоках памяти и прочих ошибках. Библиотеку ccmalloc написал Армин Бир (Armin Biere).

Код библиотеки требуется загрузить и инсталлировать самостоятельно. Дистрибутив можно найти по адресу http://www.inf.ethz.ch/personal/biere/projects/ccmalloc. Распакуйте дистрибутив и запустите сценарий configure. Далее выполните команды make и make install, скопируйте файл ccmalloc.cfg в каталог, из которого будет запускаться проверяемая программа, и переименуйте копию в .ccmalloc.

К объектным файлам программы необходимо подключить библиотеку ccmalloc и библиотеку функций динамической компоновки, Вот как это делается:

% gcc -g -Wall -pedantic malloc-use.o -о ccmalloc-use -lccmalloc -ldl

Запустите программу, чтобы получить отчет. Например, если попросить программу malloc-use выделить память и забыть ее освободить, будут выданы следующие результаты:

% ./ccmalloc-use 12

file-name=a.out does not contain valid symbols

trying to find executable in current directory ...

using symbols from 'ccmalloc-use'

(to speed up this search specify 'file ccmalloc-use'

in the startup file '.ccmalloc')

Please enter a command: a 0 12

Please enter a command: q

.-----------------.

| ccmalloc report |

=====================================================

|  total # of | allocated | deallocated |    garbage |

+-------------+-----------+-------------+------------+

|       bytes |        60 |          48 |         12 |

+-------------+-----------+-------------+------------+

| allocations |         2 |           1 |          1 |

+----------------------------------------------------+

| number of checks: 1                                |

| number of counts: 3                                |

| retrieving function names for addresses ... done.  |

| reading file info from gdb ... done.               |

| sorting by number of not reclaimed bytes ... done. |

| number of call chains: 1                           |

| number of ignored call chains: 0                   |

| number of reported call chains: 1                  |

| number of internal call chains: 1                  |

| number of library call chains: 0                   |

=====================================================

|

*100.0% = 12 Bytes of garbage allocated in 1 allocation

|       |

|       |      0x400389cb in <???>

|       |

|       |      0x08045198 in <main>

|       |                 at malloc-use.с:89

|       |

|       |      0x06048fdc in <allocate>

|       |                 at malloc-use.c:30

|       |

|       '-----> 0x08049647 in <malloc>

|                          at src/wrapper.c:284

'------------------------------------------------------

В последних нескольких строках показана цепочка вызовов функций, в которых была выделена, но не освобождена память.

Если необходимо, чтобы библиотека ccmalloc отслеживала операции записи в память вне выделенной области, придется модифицировать файл .ccmalloc. расположенный в текущем каталоге. Этот файл проверяется при запуске программы.

А.2.5. Библиотека Electric Fence

Библиотека Electric Fence, написанная Брюсом Перензом (Bruce Perens), останавливает выполнение программы в той строке, где происходит обращение к памяти за пределами выделенной области. Это единственное средство, позволяющее выявить неправильные операции чтения. Библиотека входит в большинство дистрибутивов Linux, а ее исходные коды можно найти по адресу http://www.perens.com/FreeSoftware.

Как и в случае библиотеки ccmalloc, к объектным файлам программы необходимо подключить код библиотеки Electric Fence:

% gcc -g -Wall -pedantic malloc-use.o -o emalloc-use -lefence

После запуска программы библиотека проверяет правильность обращений к выделенной памяти. В случае нарушения возникает ошибка сегментации:

% ./emalloc-use 12

Electric Fence 2.0.5 Copyright (C) 1987-1998 Bruce Perens.

Please enter a command a 0 12