【C++】Valgrindでメモリリークを見つけて潰す

はじめに

Valgrindは強力なメモリデバッグツール。メモリリーク、未初期化メモリの使用、バッファオーバーフローを検出できる。

「動いてるけどなんかおかしい」ってときに使うと原因が分かることが多い。

インストール

# Ubuntu/Debian
sudo apt install valgrind

# macOS (x86のみ、ARM非対応)
brew install valgrind

# WSL (Windows Subsystem for Linux)
sudo apt install valgrind

基本的な使い方

# デバッグ情報付きでコンパイル
g++ -g -O0 program.cpp -o program

# Valgrindで実行
valgrind ./program

# 詳細なリーク情報
valgrind --leak-check=full ./program

# より詳細な情報
valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all ./program

メモリリークの例と検出

単純なリーク

// leak.cpp
#include <iostream>

void memory_leak() {
    int* p = new int[100];
    // delete[] p を忘れた！
}

int main() {
    memory_leak();
    return 0;
}

出力:

==12345== HEAP SUMMARY:
==12345==     in use at exit: 400 bytes in 1 blocks
==12345==   total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 400 bytes allocated
==12345== 
==12345== 400 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==12345==    at 0x4C2E80F: operator new[](unsigned long) (in /usr/lib/valgrind/...)
==12345==    by 0x400684: memory_leak() (leak.cpp:5)
==12345==    by 0x400695: main (leak.cpp:10)

修正版

void memory_leak_fixed() {
    int* p = new int[100];
    // 使用...
    delete[] p;  // 修正！
}

// さらに良い方法: スマートポインタ
#include <memory>

void no_leak() {
    auto p = std::make_unique<int[]>(100);
    // 自動解放
}

未初期化メモリの使用

// uninit.cpp
#include <iostream>

int main() {
    int x;  // 未初期化
    if (x > 0) {  // UB!
        std::cout << "positive" << std::endl;
    }
    return 0;
}

検出:

==12345== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==12345==    at 0x400684: main (uninit.cpp:6)

範囲外アクセス

// overflow.cpp
#include <iostream>

int main() {
    int arr[5];
    arr[10] = 42;  // 範囲外書き込み
    return 0;
}

検出:

==12345== Invalid write of size 4
==12345==    at 0x400684: main (overflow.cpp:6)
==12345==  Address 0x... is 20 bytes after a block of size 20 alloc'd

解放済みメモリへのアクセス

// use_after_free.cpp
#include <iostream>

int main() {
    int* p = new int(42);
    delete p;
    std::cout << *p << std::endl;  // 解放済み！
    return 0;
}

検出:

==12345== Invalid read of size 4
==12345==    at 0x400684: main (use_after_free.cpp:7)
==12345==  Address 0x... is 0 bytes inside a block of size 4 free'd
==12345==    at 0x4C2CDFB: operator delete(void*) (...)
==12345==    by 0x400680: main (use_after_free.cpp:6)

二重解放

// double_free.cpp
#include <iostream>

int main() {
    int* p = new int(42);
    delete p;
    delete p;  // 二重解放！
    return 0;
}

検出:

==12345== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()
==12345==    at 0x4C2CDFB: operator delete(void*) (...)
==12345==    by 0x400690: main (double_free.cpp:7)
==12345==  Address 0x... is 0 bytes inside a block of size 4 free'd

Valgrindオプション

# メモリリーク詳細
valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all ./program

# ログをファイルに保存
valgrind --log-file=valgrind.log ./program

# 子プロセスも追跡
valgrind --trace-children=yes ./program

# 特定のリーク種別のみ
valgrind --show-leak-kinds=definite ./program

# 抑制ファイルを使用
valgrind --suppressions=my.supp ./program

# エラー発生時にデバッガ起動
valgrind --vgdb=yes --vgdb-error=1 ./program

リークの種類

種類	説明
definitely lost	確実にリーク（到達不可能）
indirectly lost	他のリークブロックからのみ到達可能
possibly lost	リークの可能性あり
still reachable	まだ到達可能だが解放されていない

Memcheck以外のツール

# Cachegrind - キャッシュプロファイラ
valgrind --tool=cachegrind ./program

# Callgrind - コールグラフ生成
valgrind --tool=callgrind ./program
kcachegrind callgrind.out.*

# Helgrind - スレッドエラー検出
valgrind --tool=helgrind ./program

# DRD - データレース検出
valgrind --tool=drd ./program

Windows/macOS代替ツール

Windows

• Visual Studio: メモリ診断ツール
• Dr. Memory: Valgrind代替
• AddressSanitizer: MSVC/Clang対応

macOS (ARM)

• Instruments: Xcode付属
• AddressSanitizer: Clang対応

AddressSanitizer (ASan)

Valgrindより高速な代替：

# コンパイル
g++ -fsanitize=address -g program.cpp -o program

# 実行（通常通り）
./program

デバッグのベストプラクティス

1. デバッグビルドで実行: -g -O0
2. 全てのリークを確認: --leak-check=full
3. 定期的に実行: CIに組み込む
4. スマートポインタを使う: リークを防止
5. RAII: リソース管理の基本

CI/CDへの統合

# .gitlab-ci.yml
test:
  script:
    - g++ -g program.cpp -o program
    - valgrind --error-exitcode=1 --leak-check=full ./program

まとめ

Valgrindは C/C++ のメモリバグを検出する必須ツールです。開発中に定期的に使用することで、メモリリークやバグを早期に発見できます！