摘要：本文介紹了一種利用調試軟件Valgrind進行嵌入式應用程序錯誤查找的技術,利用它可以高效、自動地查找出程序中的多種錯誤。首先介紹了嵌入式程序常見錯誤,接著研究了Valgrind的工作原理,最后介紹了利用Valgrind進行程序錯誤檢測的步驟和應用實例。

　　1．引言

　　隨著嵌入式系統(tǒng)處理能力的顯著提高，系統(tǒng)設計越來越復雜，對軟件調試提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的調試技術及工具已經(jīng)難以滿足嵌入式軟件系統(tǒng)的調試要求。本文介紹了利用工具軟件Valgrind 調試嵌入式 應用程序的技術，嵌入式 繼承了傳統(tǒng) 功能強大、高效穩(wěn)定等特點，近年來在嵌入式領域取得了飛速的發(fā)展，并且成為主流嵌入式操作系統(tǒng)之一。研究嵌入式Linux 應用程序的調試技術，不僅能有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且從技術和應用角度而言也具有一定的價值。

　　嵌入式 Linux 應用程序主要使用c/c++開發(fā)，多數(shù)語法和語義錯誤可以由編譯器發(fā)現(xiàn)，但有些錯誤編譯器無法發(fā)現(xiàn)，它們往往在程序運行后表現(xiàn)出來。這些錯誤主要包括：內存泄露、引用未初始化的指針、不恰當釋放內存空間、內存越界訪問以及使用已經(jīng)釋放的內存空間等等。內存操作在嵌入式編程中大量使用，并且有關內存操作的錯誤經(jīng)常出現(xiàn)并且難以被發(fā)現(xiàn)。這些錯誤都會影響系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，甚至造成癱瘓，所以必須避免它們在程序中出現(xiàn)。通常采用人工方法查找這些錯誤，當程序規(guī)模較大時，工作量將十分巨大，并且效率低下。Valgrind 能夠監(jiān)視應用程序的運行并且發(fā)現(xiàn)上述問題，利用Valgrind 對應用程序進行調試能夠顯著降低人工工作量，提高效率。

　　2． Valgrind 的工作原理

　　Valgrind 是運行在Linux 上的多用途代碼剖析和內存調試軟件。主要包括Memcheck、Callgrind、Cachegrind 等工具，每個工具都能完成一項任務調試、檢測或分析。可以檢測內存泄露、線程違例和Cache 的使用等。

　　Valgrind 基于仿真方式對程序進行調試，它先于應用程序獲取實際處理器的控制權，并在實際處理器的基礎上仿真一個虛擬處理器，并使應用程序運行于這個虛擬處理器之上，從而對應用程序的運行進行監(jiān)視。應用程序并不知道該處理器是虛擬的還是實際的，已經(jīng)編譯成二進制代碼的應用程序并不用重新進行編譯，Valgrind 直接解釋二進制代碼使得應用程序基于它運行，從而能夠滴水不漏地檢查內存操作時可能出現(xiàn)的錯誤。在嵌入式應用程序開發(fā)中，c 或c++是最為常用的語言，由于這兩種語言非常靈活的特性，使得在編程時很容易出現(xiàn)上述錯誤。因此，為了提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性，可以將Valgrind 引入到嵌入式程序的開發(fā)過程中，利用它對應用程序進行調試，從而達到高效、準確去除錯誤的目的。

　　3．Valgrind 在程序排錯中的應用

　　3．1 嵌入式軟件基本開發(fā)流程

　　嵌入式系統(tǒng)是一個資源受限的系統(tǒng)，直接在嵌入式硬件平臺上進行軟件的開發(fā)與調試是不合適的，開發(fā)與調試通常需要在PC 機上進行，然后通過交叉編譯，將程序編譯成可以運行在目標平臺上的二進制代碼，最后將代碼下載到目標硬件平臺運行。由于嵌入式Linux 的內核和系統(tǒng)調用與運行在PC 上的Linux 幾乎完全一樣，因此嵌入式Linux 應用程序的調試可以在一臺裝有Linux 的PC 機上進行。如果能在PC 機的Linux 系統(tǒng)上正常運行，則在目標平臺上基本也能正常運行。

　　3．2 調試過程

　　本文提出了一種利用 Valgrind 和在線調試器配合使用的嵌入式程序調試方法，利用它可以結合兩種不同軟件調試工具的特點，對復雜的嵌入式軟件系統(tǒng)進行調試。圖1 是嵌入式軟件開發(fā)與調試的過程。軟件設計人員利用已有的開發(fā)工具編寫源代碼，通過編譯器、匯編器、鏈接實時運行庫文件，生成目標代碼。Valgrind 對目標代碼進行仿真執(zhí)行，調用相關工具進行調試、分析和監(jiān)測；調試器通過調試器的JTAG 調試接口下載代碼，同時對微處理器進行控制，設置軟件斷點，單步運行等功能查看程序的運行情況。

這里假設 PC 機所用的處理器是x86 指令系統(tǒng)，目標平臺處理器是ARM 指令系統(tǒng)?；赩algrind 的嵌式程序調試過程包括以下幾個步驟：

　?。?）在一臺裝有Linux 操作系統(tǒng)的PC 機上安裝ValgrindValgrind
　
　　是一個遵循GPL 條例的開源項目，用戶獲取到它的源程序后自行編譯安裝。

　　獲取到源程序包后，使用“cd”命令進入包含源代碼的目錄；然后輸入“./configure”進行配置；配置完畢后輸入“”對源程序進行編譯；編譯完成后執(zhí)行“ ”將編譯好的程序和一些數(shù)據(jù)文件安裝到系統(tǒng)的相應位置。至此，Valgrind 安裝完成。

　?。?）將嵌入式程序的源代碼編譯成運行于x86 處理器的代碼格式

　　使用當前 PC 機Linux 系統(tǒng)中附帶的gcc 或g++編譯器對源程序進行編譯，如果程序較大，擁有較多源代碼文件，可以通過編寫file 文件的方式來對文件進行組織，使用make命令對源程序進行編譯。編譯時給編譯器加上-g 參數(shù)，使得編譯器添加調試信息到代碼中。

　?。?）啟動Valgrind

　　其中 –leak-check 參數(shù)表示讓Valgrind 檢查內存泄露錯誤，更多的參數(shù)項可以參考Valgrind 的相關文檔。

　?。?）根據(jù)Valgrind 的檢查結果修改源程序

　?。?）調試完畢后用ARM 編譯器編譯成ARM 處理器的代碼格式

　　以下幾個小節(jié)將通過具體的應用技術來具體說明Valgrind 在嵌入式應用程序調試技術中的應用。

　　3.3 起重機安全應用程序的調試

　　起重機安全使用 .6 內核作為操作系統(tǒng)，應用程序使用C++語言開發(fā)，通過圖形界面向用戶提供起重機的各種工作情況，如吊臂姿態(tài)，吊載重量等等。圖形界面使用Qt 圖形系統(tǒng)開發(fā)。程序源代碼*有超過200 處的地方進行了動態(tài)內存分配。

　　將應用程序編譯成可以運行在 x86 平臺上的二進制代碼后，啟動Valgrind 執(zhí)行應用程序，在執(zhí)行過程中如果發(fā)現(xiàn)錯誤，Valgrind 會將有關信息打印在屏幕上，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==”表示進程號，一般不用考慮；第一行("Invalid write...")給出了錯誤的種

　　類，這里指發(fā)現(xiàn)內存泄露錯誤。第二行給出了錯誤發(fā)生的地址，以及相關函數(shù)。第三行給出了發(fā)生錯誤所在的函數(shù)的名稱。第四行指出發(fā)生錯誤的函數(shù)被調用的地方在main()函數(shù)中。

　　應用程序使用 Valgrind 進行調試發(fā)現(xiàn)了所有內存泄露的故障，根據(jù)Valgrind 所打印的提示信息到源代碼中相應位置進行修改，排除故障，使得應用程序的可靠性得到了增強，使得整個起重機安全能夠非常穩(wěn)定、可靠的運轉。

　　4．結語

　　本文介紹了一個功能強大的工具軟件 Valgrind，它可以檢測多種內存方面的錯誤。內存錯誤是嵌入式程序設計中最常見的錯誤，使用Valgrind 對基于嵌入式Linux 的應用程序進行錯誤檢測，可以迅速準確的檢查出各種致命錯誤，確保及時得到改正，避免在投入運行后出現(xiàn)故障，極大的提高了調試效率。調試工作在PC 機上進行，調試完畢后使用目標平臺處理器的編譯器對源代碼進行交叉編譯，從而生成可以運行在目標硬件平臺上的二進制代碼，整個調試過程非常方便。在資源消耗方面，由于Valgrind 采用虛擬處理器方式運行應用程序，并且使用了V-bit 對每一位數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，因此使用Valgrind 調試程序時會大量占用內存，并且程序的運行速度要比在實際處理器上運行時的速度慢20 到30 倍。