基于Valgrind的嵌入式应用程序调试技术

　　摘要：本文介绍了一种利用调试软件Valgrind进行嵌入式应用程序错误查找的技术,利用它可以高效、自动地查找出程序中的多种错误。首先介绍了嵌入式程序常见错误,接着研究了Valgrind的工作原理,最后介绍了利用Valgrind进行程序错误检测的步骤和应用实例。

　　1．引言

　　随着嵌入式系统处理能力的显著提高，系统设计越来越复杂，对软件调试提出了新的挑战。传统的调试技术及工具已经难以满足嵌入式软件系统的调试要求。本文介绍了利用工具软件Valgrind 调试嵌入式 应用程序的技术，嵌入式 继承了传统 功能强大、高效稳定等特点，近年来在嵌入式领域取得了飞速的发展，并且成为主流嵌入式操作系统之一。研究嵌入式Linux 应用程序的调试技术，不仅能有效提升系统的稳定性，而且从技术和应用角度而言也具有一定的价值。

　　嵌入式 Linux 应用程序主要使用c/c++开发，多数语法和语义错误可以由编译器发现，但有些错误编译器无法发现，它们往往在程序运行后表现出来。这些错误主要包括：内存泄露、引用未初始化的指针、不恰当释放内存空间、内存越界访问以及使用已经释放的内存空间等等。内存操作在嵌入式编程中大量使用，并且有关内存操作的错误经常出现并且难以被发现。这些错误都会影响系统性能和稳定性，甚至造成瘫痪，所以必须避免它们在程序中出现。通常采用人工方法查找这些错误，当程序规模较大时，工作量将十分巨大，并且效率低下。Valgrind 能够监视应用程序的运行并且发现上述问题，利用Valgrind 对应用程序进行调试能够显著降低人工工作量，提高效率。

　　2． Valgrind 的工作原理

　　Valgrind 是运行在Linux 上的多用途代码剖析和内存调试软件。主要包括Memcheck、Callgrind、Cachegrind 等工具，每个工具都能完成一项任务调试、检测或分析。可以检测内存泄露、线程违例和Cache 的使用等。

　　Valgrind 基于仿真方式对程序进行调试，它先于应用程序获取实际处理器的控制权，并在实际处理器的基础上仿真一个虚拟处理器，并使应用程序运行于这个虚拟处理器之上，从而对应用程序的运行进行监视。应用程序并不知道该处理器是虚拟的还是实际的，已经编译成二进制代码的应用程序并不用重新进行编译，Valgrind 直接解释二进制代码使得应用程序基于它运行，从而能够滴水不漏地检查内存操作时可能出现的错误。在嵌入式应用程序开发中，c 或c++是最为常用的语言，由于这两种语言非常灵活的特性，使得在编程时很容易出现上述错误。因此，为了提高嵌入式系统的可靠性，可以将Valgrind 引入到嵌入式程序的开发过程中，利用它对应用程序进行调试，从而达到高效、准确去除错误的目的。

　　3．Valgrind 在程序排错中的应用

　　3．1 嵌入式软件基本开发流程

　　嵌入式系统是一个资源受限的系统，直接在嵌入式硬件平台上进行软件的开发与调试是不合适的，开发与调试通常需要在PC 机上进行，然后通过交叉编译，将程序编译成可以运行在目标平台上的二进制代码，最后将代码下载到目标硬件平台运行。由于嵌入式Linux 的内核和系统调用与运行在PC 上的Linux 几乎完全一样，因此嵌入式Linux 应用程序的调试可以在一台装有Linux 的PC 机上进行。如果能在PC 机的Linux 系统上正常运行，则在目标平台上基本也能正常运行。

　　3．2 调试过程

　　本文提出了一种利用 Valgrind 和在线调试器配合使用的嵌入式程序调试方法，利用它可以结合两种不同软件调试工具的特点，对复杂的嵌入式软件系统进行调试。图1 是嵌入式软件开发与调试的过程。软件设计人员利用已有的开发工具编写源代码，通过编译器、汇编器、链接实时运行库文件，生成目标代码。Valgrind 对目标代码进行仿真执行，调用相关工具进行调试、分析和监测；调试器通过调试器的JTAG 调试接口下载代码，同时对微处理器进行控制，设置软件断点，单步运行等功能查看程序的运行情况。

这里假设 PC 机所用的处理器是x86 指令系统，目标平台处理器是ARM 指令系统。基于Valgrind 的嵌式程序调试过程包括以下几个步骤：

　　（1）在一台装有Linux 操作系统的PC 机上安装ValgrindValgrind
　
　　是一个遵循GPL 条例的开源项目，用户获取到它的源程序后自行编译安装。

　　获取到源程序包后，使用“cd”命令进入包含源代码的目录；然后输入“./configure”进行配置；配置完毕后输入“”对源程序进行编译；编译完成后执行“ ”将编译好的程序和一些数据文件安装到系统的相应位置。至此，Valgrind 安装完成。

　　（2）将嵌入式程序的源代码编译成运行于x86 处理器的代码格式

　　使用当前 PC 机Linux 系统中附带的gcc 或g++编译器对源程序进行编译，如果程序较大，拥有较多源代码文件，可以通过编写file 文件的方式来对文件进行组织，使用make命令对源程序进行编译。编译时给编译器加上-g 参数，使得编译器添加调试信息到代码中。

　　（3）启动Valgrind

　　其中 –leak-check 参数表示让Valgrind 检查内存泄露错误，更多的参数项可以参考Valgrind 的相关文档。

　　（4）根据Valgrind 的检查结果修改源程序

　　（5）调试完毕后用ARM 编译器编译成ARM 处理器的代码格式

　　以下几个小节将通过具体的应用技术来具体说明Valgrind 在嵌入式应用程序调试技术中的应用。

　　3.3 起重机安全应用程序的调试

　　起重机安全使用 .6 内核作为操作系统，应用程序使用C++语言开发，通过图形界面向用户提供起重机的各种工作情况，如吊臂姿态，吊载重量等等。图形界面使用Qt 图形系统开发。程序源代码*有超过200 处的地方进行了动态内存分配。

　　将应用程序编译成可以运行在 x86 平台上的二进制代码后，启动Valgrind 执行应用程序，在执行过程中如果发现错误，Valgrind 会将有关信息打印在屏幕上，信息的格式如下所示：

　　==13380== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1

　　==13380== at 0x40046EE: malloc (vg_replace_malloc.c:149)

　　==13380== by 0x804838B: f1 (aaa.c:4)

　　==13380== by 0x80483FB: main (aaa.c:20)

　　“==13380==”表示进程号，一般不用考虑；第一行("Invalid write...")给出了错误的种

　　类，这里指发现内存泄露错误。第二行给出了错误发生的地址，以及相关函数。第三行给出了发生错误所在的函数的名称。第四行指出发生错误的函数被调用的地方在main()函数中。

　　应用程序使用 Valgrind 进行调试发现了所有内存泄露的故障，根据Valgrind 所打印的提示信息到源代码中相应位置进行修改，排除故障，使得应用程序的可靠性得到了增强，使得整个起重机安全能够非常稳定、可靠的运转。

　　4．结语

　　本文介绍了一个功能强大的工具软件 Valgrind，它可以检测多种内存方面的错误。内存错误是嵌入式程序设计中最常见的错误，使用Valgrind 对基于嵌入式Linux 的应用程序进行错误检测，可以迅速准确的检查出各种致命错误，确保及时得到改正，避免在投入运行后出现故障，极大的提高了调试效率。调试工作在PC 机上进行，调试完毕后使用目标平台处理器的编译器对源代码进行交叉编译，从而生成可以运行在目标硬件平台上的二进制代码，整个调试过程非常方便。在资源消耗方面，由于Valgrind 采用虚拟处理器方式运行应用程序，并且使用了V-bit 对每一位数据进行监视，因此使用Valgrind 调试程序时会大量占用内存，并且程序的运行速度要比在实际处理器上运行时的速度慢20 到30 倍。