C程序中与内存有关的常见错误

Posted 2022-01-24 一起学嵌入式

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与内存有关的错误属于那种最令人惊恐的错误。在时间和空间上，经常在距离错误源一段距离之后才表现出来。将错误的数据写到错误的位置，你的程序可能在最终失败之前运行了一段时间。

下面列举并分析与内存有关的几种错误：

1、间接引用坏指针

如果间接引用一个指向没有任何意义的数据的指针，那么操作系统会以段异常终止程序。如果向只读区域中写入数据，这些区域会以保护异常终止这个程序。

一个常见的经典示例是 scanf 错误。这个函数用处是从标准输入读入一个整数到一个变量，正确的写法是传递给 scanf 一个格式串和变量的地址：

scanf("%d", &value);

然而，常见的书写错误如下：

scanf("%d", value);

这种情况下，scanf 将把 value 内容解释为一个地址，并试图将一个字写到这个位置。这会导致程序出现异常，有时会立即终止；有时会在相当长的时间后造成灾难性、令人困惑的后果。

2、读未初始化的内存

常见的错误是假设堆内存被初始化为零：

int *matvec(int **A, int *x, int n)

	int i, j;
	int *y = (int *)malloc(n * sizeof(int));
	
	for(i = 0; i < n; i++)
	
		for(j = 0; j < n; j++)
		
			y[i] += A[i][j] * x[j]
		
	
	return y;

示例中不应该假设新申请的内存地址（y 指向的地址）被初始化为零。正确的做法是显示地将 y[i] 设置为零，或者使用 calloc 申请内存。

3、栈缓冲区溢出

如果一个程序不检查输入字符串的大小就写入栈中目标缓冲区，那么这个程序就会出现缓冲区溢出的错误。如下程序：

void buff()

	char buf[64];
	
	gets(buf);
	return;

这个函数会出现缓冲区溢出错误，因为 gets 函数只是简单复制一个任意长度的字符串到缓冲区，不限制输入串的大小。解决这个问题的方法是，可以用限制了输入串大小的 fgets 函数。

4、假设指针和它们指向的对象大小相同

常见的错误是，假设指向对象的指针和它们所指向的对象是相同大小的，示例程序：

int **makeArray(int n, int m)

	int i;
	int **A = (int **)malloc(n * sizeof(int)); /* 注意此处语句，存在问题 */
	
	for(i = 0; i < n; i++)
	
		A[j] = (int *)malloc(m * sizeof(int));
	
	return A;

此程序的目的是创建一个由 n 个指针组成的数组，每个指针都指向一个包含 m 个 int 的数组。然而，第 4 行程序代码将 sizeof(int *)写成了 sizeof(int)，代码实际上创建的是一个 int 的数组。

这段代码只有在 int 和指向 int 的指针大小相同的机器上运行良好；否则，就会出现错误。

5、内存越界

这种错误会越界覆盖原有内存的数据，导致出错：

int **makeArray(int n, int m)

	int i;
	int **A = (int **)malloc(n * sizeof(int)); /* 注意此处语句，存在问题 */
	
	for(i = 0; i <= n; i++)  /* 注意循环终止条件 */
	
		A[j] = (int *)malloc(m * sizeof(int));
	
	return A;

程序在第 6 行 和第 8 行试图初始化这个数组的 n+ 1 个元素，这个过程会覆盖 A 数组后面的某个内存位置。

6、引用指针，而不是它所指向的对象

如果不太注意 C 操作符的优先级和结合性，我们就会错误地操作指针，而不是指针所指向的对象。如果想要减少某个指针指向的整数的值，代码书写如下：

*ptr--;

然而，因为一元运算符 “--” 和 “*” 的优先级相同，且从右向左结合。那么上述代码实际的效果为 *(ptr--)，即减少的是指针自己的值，而不是它所指向的整数的值。

如果对优先级和结合性有疑问的时候，就用括号。修正后的代码：

(*ptr)--;

7、误解指针运算

这类错误是忘记指针的算术运算操作是如何进行的。是以指针指向的对象的大小为单位进行的，而这种大小单位并不一定是字节。例如，扫描一个 int 的数组，并返回一个指向 val 首次出现的指针：

int *search(int *p, int val)

	while(*p && *p != val)
	
  	p += sizeof(int);
  
	return p;

每次循环时，第 5 行都把指针加了 4 （一个整数的字节数），函数就不正确地扫描了数组中每 4 个整数。

8、引用不存在的变量

有的 C 程序员不太理解栈的规则，有时会引用不再合法的局部变量，如下所示：

int *stackref()

	int val;
	
	return &val;

这个函数返回一个指针（假设为 ptr），指向栈里的一个局部变量，然后弹出它的栈帧。尽管 ptr 仍然指向一个合法的内存地址，但是它已经不再指向一个合法的变量了。

以后在程序中调用其他函数时，内存将重用它们的栈帧。如果程序赋值给 *ptr，那么它可能实际上正在修改另一个函数的栈帧中的数据。从而潜在地带来灾难性的后果。

9、引用空闲堆块中的数据

引用已经被释放了的堆块中的数据会导致出错。例如：

int *heapref(int n, int m)

	int i;
	int *x, *y;
	
	x = (int *)malloc(n * sizeof(int)); /* 申请内存 */
	
	...
	
	free(x);  /* 释放内存 */
	
	y = (int *)malloc(m * sizeof(int));
	for(i = 0; i < m; i++)
	
		y[i] = x[i]++;
	
	
	return y;

当程序在第 15 行引用 x[i] 时，数组 x 可能已经是某个其他已分配堆块的一部分了，其内容也许被重写了。导致程序运行结果与预期不符合，出现错误。

10、引起内存泄漏

内存泄漏是缓慢、隐形的杀手，当程序员不小心忘记释放已分配的内存块，而在堆里创建了垃圾时，会发生这种问题。如下：

void leak(int n)

	int *x = (int *)malloc(n * sizeof(int));
	
	return;

如果经常调用这个函数，渐渐地，堆里会充满了垃圾，造成内存泄漏。有时会引起程序终止或其他问题。

小结

以上总结了 C 程序中，管理和使用内存常见的错误类型，并举例进行了说明。在实际的编程中，应该避免出现这些错误，否则会出现意想不到的后果。

参考资料：《深入理解计算机系统》

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