4.5 使用动态分析来检测内存缺陷

NOTE:此示例代码可以在 https://github.com/dev-cafe/cmake-cookbook/tree/v1.0/chapter-04/recipe-05 中找到,包含一个C++的示例。该示例在CMake 3.5版(或更高版本)中是有效的,并且已经在GNU/Linux、macOS和Windows上进行过测试。

内存缺陷:写入或读取越界,或者内存泄漏(已分配但从未释放的内存),会产生难以跟踪的bug,最好尽早将它们检查出来。Valgrind( http://valgrind.org )是一个通用的工具,用来检测内存缺陷和内存泄漏。本节中,我们将在使用CMake/CTest测试时使用Valgrind对内存问题进行警告。

准备工作

对于这个配置,需要三个文件。第一个是测试的实现(我们可以调用文件leaky_implementation.cpp):

#include "leaky_implementation.hpp"

int do_some_work() {

  // we allocate an array
  double *my_array = new double[1000];

  // do some work
  // ...

  // we forget to deallocate it
  // delete[] my_array;

  return 0;
}

还需要相应的头文件(leaky_implementation.hpp):

#pragma once

int do_some_work();

并且,需要测试文件(test.cpp):

#include "leaky_implementation.hpp"

int main() {
  int return_code = do_some_work();

  return return_code;
}

我们希望测试通过,因为return_code硬编码为0。这里我们也期望检测到内存泄漏,因为my_array没有释放。

具体实施

下面展示了如何设置CMakeLists.txt来执行代码动态分析:

  1. 我们首先定义CMake最低版本、项目名称、语言、目标和依赖关系:

    cmake_minimum_required(VERSION 3.5 FATAL_ERROR)
    
    project(recipe-05 LANGUAGES CXX)
    
    set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
    set(CMAKE_CXX_EXTENSIONS OFF)
    set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
    
    add_library(example_library leaky_implementation.cpp)
    
    add_executable(cpp_test test.cpp)
    target_link_libraries(cpp_test example_library)
  2. 然后,定义测试目标,还定义了MEMORYCHECK_COMMAND:

    find_program(MEMORYCHECK_COMMAND NAMES valgrind)
    set(MEMORYCHECK_COMMAND_OPTIONS "--trace-children=yes --leak-check=full")
    
    # add memcheck test action
    include(CTest)
    
    enable_testing()
    
    add_test(
      NAME cpp_test
      COMMAND $<TARGET_FILE:cpp_test>
      )
  3. 运行测试集,报告测试通过情况,如下所示:

    $ ctest
    
    Test project /home/user/cmake-recipes/chapter-04/recipe-05/cxx-example/build
    Start 1: cpp_test
    1/1 Test #1: cpp_test ......................... Passed 0.00 sec
    100% tests passed, 0 tests failed out of 1
    Total Test time (real) = 0.00 sec
  4. 现在,我们希望检查内存缺陷,可以观察到被检测到的内存泄漏:

    $ ctest -T memcheck
    
    Site: myhost
    Build name: Linux-c++
    Create new tag: 20171127-1717 - Experimental
    Memory check project /home/user/cmake-recipes/chapter-04/recipe-05/cxx-example/build
    Start 1: cpp_test
    1/1 MemCheck #1: cpp_test ......................... Passed 0.40 sec
    100% tests passed, 0 tests failed out of 1
    Total Test time (real) = 0.40 sec
    -- Processing memory checking output:
    1/1 MemCheck: #1: cpp_test ......................... Defects: 1
    MemCheck log files can be found here: ( * corresponds to test number)
    /home/user/cmake-recipes/chapter-04/recipe-05/cxx-example/build/Testing/Temporary/MemoryChecker.*.log
    Memory checking results:
    Memory Leak - 1
  5. 最后一步,应该尝试修复内存泄漏,并验证ctest -T memcheck没有报告错误。

工作原理

使用find_program(MEMORYCHECK_COMMAND NAMES valgrind)查找valgrind,并将MEMORYCHECK_COMMAND设置为其绝对路径。我们显式地包含CTest模块来启用memcheck测试操作,可以使用CTest -T memcheck来启用这个操作。此外,使用set(MEMORYCHECK_COMMAND_OPTIONS "--trace-children=yes --leak-check=full"),将相关参数传递给Valgrind。内存检查会创建一个日志文件,该文件可用于详细记录内存缺陷信息。

NOTE:一些工具,如代码覆盖率和静态分析工具,可以进行类似地设置。然而,其中一些工具的使用更加复杂,因为需要专门的构建和工具链。Sanitizers就是这样一个例子。有关更多信息,请参见https://github.com/arsenm/sanitizers-cmake 。另外,请参阅第14章,其中讨论了AddressSanitizer和ThreadSanitizer。

更多信息

该方法可向测试面板报告内存缺陷,这里演示的功能也可以独立于测试面板使用。我们将在第14章中重新讨论,与CDash一起使用的情况。

有关Valgrind及其特性和选项的文档,请参见http://valgrind.org

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