Программирование для Linux. Профессиональный подход - Марк Митчелл

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

Please enter a command r 0 12

Segmentation fault

Контекст неправильной операции можно определить с помощью отладчика.

По умолчанию библиотека Electric Fence выявляет только обращения к памяти после выделенной области. Если необходимо, чтобы она находила только обращения к памяти по адресам, предшествующим началу выделенной области, введите такую команду:

% export EF_PROTECT_BELOW=1

Чтобы библиотека отслеживала доступ к освобожденным областям, задайте переменную EF_PROTECT_FREE равной 1. Дополнительные возможности описаны на man-странице libefence.

С целью выявления ошибок доступа библиотека Electric Fence запрашивает для каждой выделенной области как минимум две страницы памяти. По умолчанию конец области приходится на конец первой страницы. Выход за пределы области, т.е. обращение ко второй странице, вызывает ошибку сегментации. Если переменная EF_PROTECT_BELOW равна 1, начало области выравнивается по началу второй страницы. В связи с тем, что за один вызов функции malloc() выделяется не менее двух страниц памяти, библиотека Electric Fence способна потреблять достаточно много памяти, поэтому ее рекомендуется использовать только при отладке.

А.2.6. Выбор средств отладки

Мы рассмотрели четыре разных, несовместимых друг с другом средства диагностирования неправильных случаев использования динамической памяти. Ни одно из средств не гарантирует нахождение всех ошибок, но это лучше, чем полное отсутствие проверок. Чтобы облегчить поиск ошибок, выделите код, в котором происходит работа с динамической памятью. Если программа пишется на C++, создайте класс, обрабатывающий все обращения к динамической памяти. При написании программы на языке С постарайтесь минимизировать число функций, в которых выделяется и освобождается память. Тестируя программу, не забывайте о том, что одновременно должно использоваться только одно средство отладки памяти, так как эти средства несовместимы.

Какое же из четырех средств выбрать? Поскольку чаще всего забывают согласовать число операций выделения и освобождения памяти, на начальных этапах разработки лучше применять утилиту mtrace. Она доступна во всех Linux-системах и хорошо себя зарекомендовала. Пройдя данную фазу тестирования, воспользуйтесь утилитой Electric Fence для нахождения неправильных обращений к памяти. Связка двух этих утилит позволяет найти практически все ошибки, связанные с использованием динамической памяти.

А.2.7. Исходный текст программы, работающей с динамической памятью

В листинге А.2 показан исходный текст программы, на примере которой иллюстрируется выделение, освобождение и использование динамической памяти. Описание программы было дано в разделе А.2.1, "Программа для тестирования динамической памяти".

/* Использование функций работы с динамической памятью. */

/* Программе передается один аргумент, определяющий

   размер массива. Этот массив состоит из указателей

   на (возможно) выделенные буферы памяти.

   В процессе работы программы ей можно задавать

   следующие команды:

   выделение памяти    -- а <индекс> <размер_буфера>

   освобождение памяти -- d <индекс>

   чтение памяти       -- r <индекс> <смещение>

   запись в память     -- w <индекс> <смещение>

   выход               -- q

   Ответственность за соблюдение правил доступа

   к динамической памяти лежит на пользователе. */

#ifdef MTRACE

#include <mcheck.h>

#endif /* MTRACE */

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <assert.h>

/* Выделение памяти указанного размера. */

void allocate(char** array, size_t size) {

 *array = malloc(size);

}

/* Освобождение памяти. */

void deallocate(char** array) {

 free((void*)*array);

}

/* Чтение указанной ячейки памяти. */

void read_from_memory(char* array, int position) {

 volatile char character = array[position];

}

/* Запись в указанную ячейку памяти. */

void write_to_memory(char* array, int position) {

 array[position] = 'a';

}

int main{int argc, char* argv[]) {

 char** array;

 unsigned array_size;

 char command[32];

 unsigned array_index;

 char command_letter;

 int size_or_position;

 int error = 0;

#ifdef MTRACE

 mtrace();

#endif /* MTRACE */

 if (argc != 2) {

  fprintf(stderr, "%s: array-sizen", argv[0]);

   return 1;

 }

 array_size = strtoul(argv[1], 0, 0);

 array = (char**)calloc(array_size, sizeof(char*));

 assert(array != 0);

 /* Выполнение вводимых пользователем команд. */

 while (!error) {

  printf("Please enter a command: ");

  command_letter = getchar();

  assert(command_letter != EOF);

  switch (command_letter) {

  case 'a':

   fgets(command, sizeof(command), stdin);

   if (sscanf(command, "%u %i", &array_index,

    &size_or_position) == 2 &&

    array_index < array_size)

    allocate(&(array[array_index]), size_or_position);

   else

    error = 1;

   break;

  case 'd':

   fgets(command, sizeof(command), stdin);

   if (sscanf(command, "%u", &array_index) == 1 &&

    array_index < array_size)

    deallocate(&(array[array_index]));

   else

    error = 1;

   break;

  case 'r':

   fgets(command, sizeof(command), stdin);

   if (sscanf(command, "%u %i", &array_index,

    &size_or_position) == 2 &&

    array_index < array_size)

    read_from_memory(array[array_index], size_or_position);

   else

    error = 1;

   break;

  case 'w':

   fgets(command, sizeof(command), stdin);

   if (sscanf(command, "%u %i", &array_index,

    &size_or_position) == 2 &&

    array_index < array_size)

    write_to_memory(array[array_index], size_or_position);

   else

    error = 1;

   break;

  case 'q':

   free((void*)array);

   return 0;

  default:

   error = 1;

  }

 }

 free((void*)array);

 return 1;

}

A.3. Профилирование

Теперь, когда мы знаем, как искать ошибки в программах, настало время разобраться, как ускорить выполнение программы. Профайлер gprof позволяет определить, какие функции требуют наибольших вычислительных ресурсов и тем самым являются кандидатами на оптимизацию. Профилирование полезно также при отладке, поскольку с помощью этого метода можно установить, какие функции вызываются чаще, чем нужно.

Для получения профильной информации необходимо следовать такому алгоритму.

1. Скомпилируйте и скомпонуйте программу с опциями профилирования.

2. Запустите программу, чтобы сгенерировать профильные данные.

3. Вызовите утилиту gprof для отображения и анализа профильных данных.

А.3.1. Простейший калькулятор

Для иллюстрации методики профилирования мы напишем простейшую программу- калькулятор. Чтобы программа выполнялась нетривиальным образом, заставим ее работать с унарными числами, чего не встречается в реальных калькуляторах. Код программы приведен в конце приложения.

Значение унарного числа представляется аналогичным количеством символов. Например, число 1 — это "x", 2 — "xx", 3 — "xxx" и т.д. Вместо символов "x" программа использует связный список, количество элементов которого соответствует значению числа. В файле number.c содержатся функции, позволяющие создавать число 0, добавлять единицу к числу, вычитать единицу из числа, а также складывать, вычитать и умножать числа. Есть функция, которая преобразует строку, содержащую неотрицательное десятичное число, в унарное число. Другая функция преобразует унарное число в значение типа int. Сложение реализуется путем последовательного добавления единицы, вычитание — путем последовательного отнимания единицы, а умножение — путем многократного сложения. Функции even() и odd() возвращают унарный эквивалент единицы тогда и только тогда, когда их единственный операнд является соответственно четным или нечетным числом. В противном случае возвращается унарный эквивалент нуля. Обе функции взаимно рекурсивны. Например, число является четным, если оно равно нулю или если число, на единицу меньшее, является нечетным.