檢查 Run Time Memory Error 的工具

更多精彩请到 http://www.139ya.com

檢查 Run Time Memory Error 的工具

目 前市面上有不少專門檢查run time memory error 的工具，例如Purify、Insure++、Bounds Checker 以及Valgrind 等等；其中，Purify、Insure++與Valgrind，是筆者曾經實際使用過的產品；然而，就這三項工具的功能完備性來說，筆者主觀地認為 Purify 是小勝幾籌；再者，就使用者介面的簡易明瞭性來說，筆者也是主觀地較偏好 Purify。因此，後續的章節內容與其範例程式之偵測與說明，都將以 Purify 這項工具為主軸。

Purify 的歷史

Purify 的產品雛形，是由一位名叫 Reed Hastings 的工程師所獨力研發而成。憑藉著Purify 的產品雛形，Reed Hastings 於1991 年在美國加州創立了 Pure Software 公司；創業後的四年之間，公司的年營業額每年皆呈倍數成長，亮麗的表現使得 Pure Software 公司獲得 Morgan Stanley 的青睞，並在 Morgan Stanley 的輔導之下，順利地於1995 年在 NASDAQ 掛牌上市。1997 年，Rational Software 公司以七億五千萬美金併購了 Pure Software 公司；而Rational Software 公司則於2003 年，被IBM 以二十億美金所併購。

Pure Software 的創辦人 ── Reed Hastings，在大學時期的主修科目是數學，並曾經得到系上的 Smyth Prize。他在1983 年大學畢業之後，隨即加入由美國總統 Kennedy 所創立的和平志工隊 (Peace Corps Volunteer)，到非洲的 Swaziland 教授兩年的數學課程；之後，他回到校園攻讀 Computer Science，並於1988 年取得 Stanford University 電腦科學系的碩士學位。

Purify 產品目前已被更名為 PurifyPlus，而且也推出了 Linux 平台的版本；本書在範例程式當中所使用的 PurifyPlus，則是由 IBM 網站上所下載的 trial version。

備註：最近幾年很紅的線上租片公司 Netflix，就是由 Reed Hastings 所創辦的。

---

Uninitialized Memory Read (UMR)

所 謂「Uninitialized Memory Read」，是指某個變數尚未給定初始值之前（此時的變數內容值很可能是個亂數值），程式就去讀取它的內容值。除了少數的情況之外，UMR 通常不會直接造成 coredump 或 segmentation fault，但它有可能會造成不正確的運算結果，抑或間接地引發後續的 coredump 或 segmentation fault。

The Operation Beyond Array Bounds

不 論何種 data type 的 array，其 array element 的個數都是有限的。第一個 array element 的 starting address，是 array 的 lower bound；而最後一個 array element 的 ending address，則是 array 的 upper bound；因此，對 array 的任何運作，都必須侷限在 lower bound 與 upper bound 的範疇之內，才是合法有效的運作；如果存取的運作超出這個範疇，則程式很可能會因此發生 coredump 或 segmentation fault；因為存的運作（write operation），有可能破壞了其他資料結構的內容值；而取的運作（read operation），則是從錯誤的地方去讀取了某個值，而這個值很可能會造成後續的程式無法順利地運作。

Stack Bound Read/Write (SBR/SBW)

所謂「Stack Bound Read/Write」，是指程式對array object 的存取運作，超越了array object 的有效範疇，而且該 array object 的 storage，是從 stack frame 配置而來。

Array Bound Read/Write (ABR/ABW)

所 謂「Array Bound Read」或「Array Bound Write」，是指程式對 array object 的存取運作，超出其有效的範疇，而且 array object 的 storage，是從 data segment 或 heap area 配置而來。

Null Pointer Read/Write (NPR/NPW)

所謂「Null Pointer Read」或「Null Pointer Write」，是指某個 pointer 指向 NULL，亦即該 pointer 沒有指向任何的 object，但程式卻未能檢測其值是否為 NULL，即逕行透過它來執行存取的運作。

Freeing Mismatched Memory (FMM)

所 謂「Freeing Mismatched Memory」，是指「配置記憶體的函式」與「釋放記憶體的函式」不一致；例如，程式呼叫 calloc 函式，要到了一塊記憶體，使用完之後卻呼叫 delete 去歸還記憶體。當程式帶有 FMM 的錯誤時，是不太容易察覺的；因為 compiler 無法找出 FMM 的錯誤，而且 FMM 的錯誤通常不會直接造成 coredump；此時，PurifyPlus 即可上場救援，透過它來找出 FMM 的錯誤。對於可以取得或釋放記憶體資源的相關函式，PurifyPlus 能夠檢測出兩者是否一致的搭配組合為：

"new" versus "delete"
"new []" versus "delete []"
"malloc" versus "free"
"calloc" versus "free"
"realloc" versus "free"
"XtMalloc" versus "XtFree" (X Windows APIs)

Free Memory Read/Write (FMR/FMW)

所 謂「Free Memory Read」或「Free Memory Write」，是指之前取得的記憶體資源，已經歸還給系統，但因程式的疏失或邏輯上的錯誤，使得某個 pointer 還依然指向該記憶體資源，並陸續地透過該 pointer 對其執行讀取或寫入的運作。

Dangling Pointer 與FMR/FMW

所 謂「Dangling Pointer」，是指某個 pointer 在一開始時，是指向一個活生生的 object，之後這個 object 可能因為衰老而壽終正寢，抑或遭逢意外而不幸身亡，但該 pointer 卻渾然不知，還是繼續對這個已經不存在的 object 執行讀取或寫入的運作，並因此引發FMR 或FMW 的錯誤。

之前所看到的 fmr_fmw.c 程式，由於主要目的是在做示範，故其所犯之錯誤看來是十分愚蠢；但在實際的軟體研發過程中，由dangling pointer 所引發的 FMR 與 FMW，是很有可能發生的。舉例來說，現在一般的軟體架構，大都採取 layered design 的設計；也就是說，有些 software components 是隸屬於底層，假設叫做 kernel layer components，簡稱 kernel layer；而有些則是隸屬於上層，假設叫做 application layer components，簡稱 application layer；當 kernel layer 遇到某個 CreateMyObj event，並因此配置了許多data type 叫做 MyObj 的 objects；之後、application layer 遇到 GetMyObjHdl event，因此application layer 向kernel layer 要求，希望能取得由 kernel layer 所配置的所有資料型態為 MyObj 的object 之address (即handle)，並透過 array of pointer 或 pointer pool，在 application layer 記下這些 handles；當 kernel layer 遇到DestroyMyObj event，並因此將所有資料型態為 MyObj 的 objects 歸還給作業系統，但卻在歸還之後，忘了通知 application layer，它已經將所有的 objects 都釋放掉了；此時，application layer 認為它所保持的handles，依然指向實質存在的 objects，但因實際上都已經不存在，所以這些 handles 也就變成了dangling pointers，因此後續的讀或寫之運作，將會引發 FMR 或 FMW 的錯誤。

這種由 layered design 所引起的 dangling pointer，可以透過 callback mechanism 來解決；亦即 application layer 必須向 kernel layer 註冊 DestroyMyObj event 以及 callback function；而 kernel layer 在遇到 DestroyMyObj event 時，一定要透過 callback function 去通知 application layer，讓 application layer 有機會對 array of pointer 或 pointer pool 的內容，執行適當的清除運作。

Free Unallocated Memory (FUM)

所謂「Free Unallocated Memory」，是指程式所指定要歸還的記憶體資源之位址，之前已經被歸還過了，抑或從來就不曾被配置過；因此，該次的歸還運作是多此一舉。

Memory Leak (MLK)

所謂「Memory Leak」，是指程式沒有將記憶體資源做妥善的利用，以致於造成閒置或浪費的情形；而這種情形就如同沒有將水龍頭關緊，使得涓滴的自來水不斷地被浪費掉，因此將之稱為 memory leak。

筆 者將memory leak 的來源分為兩種：一、lost memory block；二、undeallocated memory block。其中，lost memory block 是指程式把某塊記憶體資源給搞丟了；而 undeallocated memory block 則是指程式已經不再使用某塊記憶體資源，但仍然把持著該記憶體資源的使用權利 (有可能是「忘記」或是「不願意」釋放記憶體資源)。

Lost Memory Block

所 謂「Lost Memory Block」，是指原本指向某 2 MB memory block 的 pointer，被程式更動後指向另外一塊 4 MB memory block，導致沒有任何的 pointer 指向之前的 2 MB memory block；此時，這塊 2 MB memory block 就成了被搞丟、被遺忘的記憶體資源。

若以日常生活的例子來比喻 lost memory block，它就像是自己買了一把螺絲起子，但在使用過後，由於沒有保持物歸原處的習慣，用完就隨手丟、隨處放，導致最後忘了螺絲起子放在哪裡，而且怎麼 找就是找不到；通常，在遍尋不可得的情況下，只好到修繕材料店再買一把螺絲起子；但如此一來，就造成了金錢與資源的浪費。

Undeallocated Memory Block

所謂「Undeallocated Memory Block」，是指程式已經不再使用某塊記憶體資源，但仍然把持著該記憶體資源的使用權利，使得這塊記憶體資源持續地處於閒置的狀態，直到 process 結束。

造成 undeallocated memory block 的原因有兩種：一、忘記歸還記憶體資源；二、故意佔著不放。通常，真正的原因是「忘記」，很少有程式故意佔著記憶體資源而不使用。