c++野指针小结

Posted 2022-05-06 bitcarmanlee

1.什么是野指针

所谓野指针(wild pointer)，简单讲是指指向不可用的内存区域的指针。需要注意的一点是，野指针与NULL空指针是不同的。NULL指针一般比较好判断，直接用if (p==NULL)语句判断即可。但是野指针指向的是垃圾内存区域的指针，一旦使用往往会造成不可预测的结果，这种随机不可预测的结果才是最可怕的。

2.未初始化

造成野指针最常见的情况之一就是指针未被正确初始化。任何指针在被创建的时候，不会自动变成NULL指针，他的default值是随机的。所以一个比较好的习惯是，指针刚创建的时候，要么设置为NULL空指针，要么指向合理的内存区域。

看一下一个简单例子

void func() 
    int* p;
    cout<<*p<<endl;

我们在main方法中调用该函数，会得到输出

1901647869

不难看出得到的就是一个随机值。

3.悬垂指针

悬垂指针也是野指针常见的一种。当我们显式地从内存中删除一个对象或者返回时通过销毁栈帧，并不会改变相关的指针的值。这个指针实际仍然指向内存中相同位置，甚至该位置仍然可以被读写，只不过这时候该内存区域完全不可控，因为你不能保证这块内存是不是被别的程序或者代码使用过。

void dangling_point() 
    char *p = (char *)malloc(10);
    strcpy(p, "abc");
    cout<<p<<endl;
    free(p);
    if (p != NULL) cout<<p<<endl;
    strcpy(p, "def"); 

我们执行free§语句时，p所指向的内存被释放，此时该内存区域变成不可用内存。但是，p此时指向的地址并没有发生改变，而且也不会为空，所以if(p != NULL)判断为真，会继续执行后面的语句。
但是strcpy(p, “def”); 这一句，虽然代码不会报错崩溃，但此时正在篡改动态内存区，会产生不可预料的结果，此操作相当危险，尤其是debug时候非常不好排查，往往会让人崩溃…

为了避免悬垂指针的问题，一般做法是在free/delete指针以后，再将p=NULL，这样就可以避免上述问题。

4.返回栈内存指针或引用

看一个例子

int* return_ret() 
    int result = 1;
    return &result;


int main(int argc, char const *argv[])

    int *p = return_ret();
    cout<<*p<<endl;
    cout<<*p<<endl;
    return 0;

首先，这段代码能编译通过。不过IDE会提醒warning:

test_code.cc:80:13: warning: address of stack memory associated with local variable 'result' returned [-Wreturn-stack-address]
    return &result;
            ^~~~~~
1 warning generated.

什么意思？就是我们返回了一个局部变量的栈内内存地址。
代码也能正常运行：

1
32767

我们注意看，第一个打印语句，甚至还能输出"正确"的结果1。
但是到了第二个打印语句，此时输出的结果就不可控了，因为此时该内存区域的内容，已经发生了变化。此时该内存地址已经变得不"可靠"，操作该内存区域将会相当危险。

5.特殊的空指针

空指针为一特殊指针，是唯一一个对任何指针类型都合法的指针值。为了提高程序可读性，标准库定义了一个与0等价的符号常量NULL。p = 0；p = NULL；都是把p置为空指针值，上面两种写法等价。

6.free操作的真相

以下部分内容来自网络：

内存管理有以下几个层次（从高到低）：C程序 - C库（malloc）- 操作系统 - 物理内存

首先，操作系统保证每个进程都有独立的虚拟内存空间（32bit上应该是4G吧，一般进程也用不了这么多）。当然实际上物理内存是所有进程共享的，所以当你需要动态内存时，需要向操作系统申请，这时候虽然从你程序的角度，内存是连续的，其实是被操作系统映射到某一块物理内存而已。程序用完内存归还后，实际归还的部分可能被操作系统分配给其他进程。

要注意，上面说的“归还”是malloc库的行为。malloc库会使用一些策略来提高内存使用的效率，比如程序需要使用10K内存时，malloc实际可能上会申请1M，因为一次系统调用开销很大；再比如即使你调用了free“归还“了程序使用的内存，malloc库也可能并未真正把这些内存归还给操作系统，因为将来程序可能还会再申请动态内存。

malloc库有多种实现，我知道的一种是使用标记（tag）来存储内存的元信息。比如你申请了8个byte，得到的头指针地址是0x1001（实际内存为0x1001-0x1008），malloc会在0x1000（也就是头指针-1的位置）保存8，即这段内存的长度。等释放时，程序将头指针地址传给free，malloc库从头指针-1的位置发现需要释放的内存长度，释放内存（实际的操作可能只是将tag清空）。这就解释了：1. 为什么和malloc不同，free的参数只有一个头指针而不需要长度；2. free后内存实际上可能并未归还给操作系统。

所以，访问被（程序）释放的内存是一种undefined行为，就是说结果是不确定的。在malloc库未将此内存归还给操作系统也未进行下一次动态分配时，这块内存事实上仍属于程序。而当malloc库不清理归还的内存时（多数实现都是如此），你能访问到的值仍是原来的值。这和函数调用完毕而未清理栈帧、后续调用函数可以访问到之前已经设置的局部变量值是一个道理。

但是，当malloc库已经将内存归还给系统时，再去访问原来的地址（更别说写），由于这段地址已经不属于程序了，就会出现经典的segmentation fault。

说到底，这些现象还是C语言库为了更有效率的实现而妥协的结果。

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