一个C++bug引入的许多知识

Posted 2020-07-07 magicsoar

 

 

一、前言

    假设我们有一个Car类，用了表示一个车，它有id,名字,牌照等许多东西，还有一个表示车的部件CarPart。

    但出于某方面的考虑，我们不打算在产生car这个对象的时候，就生产出这个车，你可以认为这个时候，只有一个纸糊的车摆在你的面前，它有id，有名字，有牌照，但是它不能动，只有我们打算启动这个车的时候，才去给这个车配置发动机，轮胎等各个部件。

 

二、错误代码1

//CarPart类  用了标识车内的各个部件

  

//Car类 用了标识车 

 

我们定义了一个car类，它里面有一个_id标识这个car，也有一个_car来标识这个车的各个部件，在最开始的时候，_car指针是null，当我们调用getCar的时候，我们判断这个车是否创建好了部件，有的话就返回部件，没有的话，为这个车创建部件，至于具体的创建步骤，也许是在工厂制造，也许是从其他地方抢来的也有可能，然后返回车的部件

 

main函数

我们在一个循环里来创建car对象，创建这个车的部件，并把这个对象放进一个vector里，在这个循环里，我们只会循环一次，至于原因你在下面会看到

然后我们运行程序，刚开始看起来很正常，但是糟糕…程序出现了问题

g++   -g  main.cpp -o main.out  //(使用-g选项来生成调试文件)

 

 ./main.out  

 

Start
Make 4 tires of car 0
Make engine of car 0
-------------------
End
*** glibc detected *** double free or corruption (fasttop): 0x0000000000503010 ***

 

我们看到程序出现了一些问题，产生了一个core文件

我们用gdb查看一下这个core文件

gdb main.out

(gdb) core-file core.45393 

(gdb) bt

#0  0x0000003f0b02e2ed in raise () from /lib64/tls/libc.so.6

#1  0x0000003f0b02fa3e in abort () from /lib64/tls/libc.so.6

#2  0x0000003f0b062d41 in __libc_message () from /lib64/tls/libc.so.6

#3  0x0000003f0b06881e in _int_free () from /lib64/tls/libc.so.6

#4  0x0000003f0b068b66 in free () from /lib64/tls/libc.so.6

#5  0x000000342cfae19e in operator delete () from /usr/lib64/libstdc++.so.6

#6  0x0000000000400dc0 in ~Car (this=0x503030) at Car.h:29

#7  0x00000000004016fd in std::_Destroy<Car> (__pointer=0x503030) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_construct.h:107

#8  0x000000000040155b in std::__destroy_aux<Car*> (__first=0x503030, __last=0x503040) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_construct.h:120

#9  0x0000000000401103 in std::_Destroy<Car*> (__first=0x503030, __last=0x503040) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_construct.h:152

#10 0x0000000000400f89 in ~vector (this=0x7fff0f7371a0) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_vector.h:256

#11 0x0000000000400d0a in main () at main.cpp:17

 

我们看到程序是从程序的第17行结束，调用析构函数时出现的问题

析构函数出错的原因一般是多次释放同一块内存

那么这里的问题出现在那里呢？

我们想一想第12行我们创建了一个temp对象，然后第13行为这个temp对象创建了汽车组件

这个时候的内存看起来是这个样子

接着我们把temp放进了vector中，这个时候会调用car的拷贝构造函数，由于car没有定义自己的拷贝构造函数，因此将会执行默认的拷贝构造函数进行浅拷贝操作

这个时候的内存是这个样子

 

当第一次循环结束的时候，temp被析构，汽车组件被delete掉

然后当程序结束的时候，对vcar[0]进行析构，由于Temp中的_car和Vcar[0]中的_car对象指向了同一块内容，vcar[0]所指的汽车组件已经被释放掉，再次delete的时候，造成错误

 

三、错误代码2

我们刚刚看了一个版本的错误代码，现在我们来看看另一个版本的错误代码

CarPart和Car类和上一个版本的一样

main函数有所不同

这里我们没有直接操作temp对象，而是通过vcar.back()获取刚刚push_back进去的对象，并在它上面进行getCar操作，这样就避免了temp和vcar[0]中的指针指向同一块内存

我们运行程序，看起来一切正常

Start

Make 4 tires of car 0

Make engine of car 0

-------------------

End

然后，我们把第10行 稍作一下修改，让它循环2次，再次运行，该死，程序又出错了

Start

Make 4 tires of car 0

Make engine of car 0

-------------------

Make 4 tires of car 1

Make engine of car 1

-------------------

End

*** glibc detected *** double free or corruption (fasttop): 0x0000000000503030 ***

 

查看core文件，发现又是在析构函数处出现了问题

(gdb) bt
#0 0x0000003f0b02e2ed in raise () from /lib64/tls/libc.so.6
#1 0x0000003f0b02fa3e in abort () from /lib64/tls/libc.so.6
#2 0x0000003f0b062d41 in __libc_message () from /lib64/tls/libc.so.6
#3 0x0000003f0b06881e in _int_free () from /lib64/tls/libc.so.6
#4 0x0000003f0b068b66 in free () from /lib64/tls/libc.so.6
#5 0x000000342cfae19e in operator delete () from /usr/lib64/libstdc++.so.6
#6 0x0000000000400f80 in ~Car (this=0x504080) at Car.h:42
#7 0x0000000000401b65 in std::_Destroy<Car> (__pointer=0x504080) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_construct.h:107
#8 0x00000000004019d5 in std::__destroy_aux<Car*> (__first=0x504080, __last=0x5040a0) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_construct.h:120
#9 0x0000000000401411 in std::_Destroy<Car*> (__first=0x504060, __last=0x5040a0) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_construct.h:152
#10 0x0000000000401259 in ~vector (this=0x7fff3ead6110) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.5/../../../../include/c++/3.4.5/bits/stl_vector.h:256
#11 0x0000000000400ea2 in main () at main.cpp:18
(gdb)

为什么把循环从一次改成两次就会出错了呢

我们进如果打印vcar里对象中_car的地址，会发现他们竟然是一样的

那么这又是为什么呢

在C++中，堆内存是存在复用的可能的，如果上一个内存已经被释放调，在new新对象的时候，新对象的内存便可能建立在刚刚释放的内存上

 

我们知道vector内部是类似数组的连续的储存空间

vector在发现空间不足时，会在其他地方重新申请一块内存空间，调用原来对象的拷贝构造函数 在新的地方进行创建，并把原来地方的对象析构调

第一次循环的时候 vector的大小是1，容量也是1，在第二次调用，由于这个时候，放进了第二个元素，所以vector的大小需要进行调整，便在新的地方重新申请了一块内存，调用了car的拷贝构造函数，并将原来的对象进行析构，所以导致了第二次创建的对象的_car地址和第一个对象一样

这样当程序结束调用析构函数的时候，由于vcar[0]和vcar[1]中_car指向同一块内存，在delete时就会出现问题

问题的根源依旧是没有深拷贝构造函数

 

 

 

 

四、结论

1、赋值函数，拷贝构造函数，析构函数通常应该被视为一个整体，即需要析构函数的类也需要赋值函数和拷贝构造函数，反之亦然

2、为了支持快速访问，vector将元素连续储存，当不得不获取新的内存空间的时候，vector会其他地方申请新的空间，并将元素从旧的地方移动到新的地方，这期间会调用元素的析构函数和拷贝构造函数

3、C++中堆内存是可以复用的，当你释放一块内存之后，又立即申请一块内存，新申请的内存空间很可能在刚刚释放的内存上