大内高手—常见内存错误

 

大内高手—常见内存错误

 

 

随着诸如代码重构和单元测试等方法引入实践，调试技能渐渐弱化了，甚至有人主张废除调试器。这是有道理的，原因在于调试的代价往往太大了，特别是调试系统集成之后的BUG，一个BUG花了几天甚至数周时间并非罕见。

 

而这些难以定位的BUG基本上可以归为两类：内存错误和并发问题。而又以内存错误最为普遍，即使是久经沙场的老手，也有时也难免落入陷阱。前事不忘，后世之师，了解这些常见的错误，在编程时就加以注意，把出错的概率降到最低，可以节省不少时间。

 

这些列举一些常见的内存错误，供新手参考。

 

1.         内存泄露。

大家都知道，在堆上分配的内存，如果不再使用了，应该把它释放掉，以便后面其它地方可以重用。在C/C++中，内存管理器不会帮你自动回收不再使用的内存。如果你忘了释放不再使用的内存，这些内存就不能被重用，就造成了所谓的内存泄露。

 

把内存泄露列为首位，倒并不是因为它有多么严重的后果，而因为它是最为常见的一类错误。一两处内存泄露通常不至于让程序崩溃，也不会出现逻辑上的错误，加上进程退出时，系统会自动释放该进程所有相关的内存，所以内存泄露的后果相对来说还是比较温和的。当然了，量变会产生质变，一旦内存泄露过多以致于耗尽内存，后续内存分配将会失败，程序可能因此而崩溃。

 

现在的PC机内存够大了，加上进程有独立的内存空间，对于一些小程序来说，内存泄露已经不是太大的威胁。但对于大型软件，特别是长时间运行的软件，或者嵌入式系统来说，内存泄露仍然是致命的因素之一。

 

不管在什么情况下，采取比较谨慎的态度，杜绝内存泄露的出现，都是可取的。相反，认为内存有的是，对内存泄露放任自流都不是负责的。尽管一些工具可以帮助我们检查内存泄露问题，我认为还是应该在编程时就仔细一点，及早排除这类错误，工具只是用作验证的手段。

 

2.         内存越界访问。

内存越界访问有两种：一种是读越界，即读了不属于自己的数据，如果所读的内存地址是无效的，程度立刻就崩溃了。如果所读内存地址是有效的，在读的时候不会出问题，但由于读到的数据是随机的，它会产生不可预料的后果。另外一种是写越界，又叫缓冲区溢出。所写入的数据对别人来说是随机的，它也会产生不可预料的后果。

 

内存越界访问造成的后果非常严重，是程序稳定性的致命威胁之一。更麻烦的是，它造成的后果是随机的，表现出来的症状和时机也是随机的，让BUG的现象和本质看似没有什么联系，这给BUG的定位带来极大的困难。

 

一些工具可以够帮助检查内存越界访问的问题，但也不能太依赖于工具。内存越界访问通常是动态出现的，即依赖于测试数据，在极端的情况下才会出现，除非精心设计测试数据，工具也无能为力。工具本身也有一些限制，甚至在一些大型项目中，工具变得完全不可用。比较保险的方法还是在编程是就小心，特别是对于外部传入的参数要仔细检查。

 

3.         野指针。

野指针是指那些你已经释放掉的内存指针。当你调用free(p)时，你真正清楚这个动作背后的内容吗？你会说p指向的内存被释放了。没错，p本身有变化吗？答案是p本身没有变化。它指向的内存仍然是有效的，你继续读写p指向的内存，没有人能拦得住你。

 

释放掉的内存会被内存管理器重新分配，此时，野指针指向的内存已经被赋予新的意义。对野指针指向内存的访问，无论是有意还是无意的，都为此会付出巨大代价，因为它造成的后果，如同越界访问一样是不可预料的。

 

释放内存后立即把对应指针置为空值，这是避免野指针常用的方法。这个方法简单有效，只是要注意，当然指针是从函数外层传入的时，在函数内把指针置为空值，对外层的指针没有影响。比如，你在析构函数里把this指针置为空值，没有任何效果，这时应该在函数外层把指针置为空值。

 

4.         访问空指针。

空指针在C/C++中占有特殊的地址，通常用来判断一个指针的有效性。空指针一般定义为0。现代操作系统都会保留从0开始的一块内存，至于这块内存有多大，视不同的操作系统而定。一旦程序试图访问这块内存，系统就会触发一个异常。

 

操作系统为什么要保留一块内存，而不是仅仅保留一个字节的内存呢？原因是：一般内存管理都是按页进行管理的，无法单纯保留一个字节，至少要保留一个页面。保留一块内存也有额外的好处，可以检查诸如p=NULL; p[1]之类的内存错误。

 

在一些嵌入式系统(如arm7)中，从0开始的一块内存是用来安装中断向量的，没有MMU的保护，直接访问这块内存好像不会引发异常。不过这块内存是代码段的，不是程序中有效的变量地址，所以用空指针来判断指针的有效性仍然可行。

 

在访问指针指向的内存时，在确保指针不是空指针。访问空指针指向的内存，通常会导致程度崩溃，或者不可预料的错误。

 

5.         引用未初始化的变量。

未初始化变量的内容是随机的(像VC一类的编译器会把它们初始化为固定值，如0xcc)，使用这些数据会造成不可预料的后果，调试这样的BUG也是非常困难的。

 

对于态度严谨的程度员来说，防止这类BUG非常容易。在声明变量时就对它进行初始化，是一个编程的好习惯。另外也要重视编译器的警告信息，发现有引用未初始化的变量，立即修改过来。

 

6.         不清楚指针运算。

对于一些新手来说，指针常常让他们犯糊涂。

 

比如int *p = …; p+1等于(size_t)p + 1吗

老手自然清楚，新手可能就搞不清了。事实上, p+n 等于 (size_t)p + n * sizeof(*p)

 

指针是C/C++中最有力的武器，功能非常强大，无论是变量指针还是函数指针，都应该掌握都非常熟练。只要有不确定的地方，马上写个小程序验证一下。对每一个细节都了然于胸，在编程时会省下不少时间。

 

7.         结构的成员顺序变化引发的错误。

在初始化一个结构时，老手可能很少像新手那样老老实实的，一个成员一个成员的为结构初始化，而是采用快捷方式，如：

Struct s

{

    int   l;

    char* p;

};

 

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

{

    struct s s1 = {4, "abcd"};

    return 0;

}

 

以上这种方式是非常危险的，原因在于你对结构的内存布局作了假设。如果这个结构是第三方提供的，他很可能调整结构中成员的相对位置。而这样的调整往往不会在文档中说明，你自然很少去关注。如果调整的两个成员具有相同数据类型，编译时不会有任何警告，而程序的逻辑上可能相距十万八千里了。

 

正确的初始化方法应该是（当然，一个成员一个成员的初始化也行）：

struct s

{

    int   l;

    char* p;

};

 

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

{

    struct s s1 = {.l=4, .p = "abcd"};

    struct s s2 = {l:4, p:"abcd"};

 

    return 0;

}

 

8.         结构的大小变化引发的错误。

我们看看下面这个例子：

struct base

{

    int n;

};

 

struct s

{

    struct base b;

    int m;

};

 

在OOP中，我们可以认为第二个结构继承了第一结构，这有什么问题吗？当然没有，这是C语言中实现继承的基本手法。

 

现在假设第一个结构是第三方提供的，第二个结构是你自己的。第三方提供的库是以DLL方式分发的，DLL最大好处在于可以独立替换。但随着软件的进化，问题可能就来了。

 

当第三方在第一个结构中增加了一个新的成员int k;，编译好后把DLL给你，你直接给了客户了。程序加载时不会有任何问题，在运行逻辑可能完全改变！原因是两个结构的内存布局重叠了。解决这类错误的唯一办法就是全部重新相关的代码。

 

解决这类错误的唯一办法就是重新编译全部代码。由此看来，DLL并不见得可以动态替换，如果你想了解更多相关内容，建议阅读《COM本质论》。

      

9.         分配/释放不配对。

大家都知道malloc要和free配对使用，new要和delete/delete[]配对使用，重载了类new操作，应该同时重载类的delete/delete[]操作。这些都是书上反复强调过的，除非当时晕了头，一般不会犯这样的低级错误。

 

而有时候我们却被蒙在鼓里，两个代码看起来都是调用的free函数，实际上却调用了不同的实现。比如在Win32下，调试版与发布版，单线程与多线程是不同的运行时库，不同的运行时库使用的是不同的内存管理器。一不小心链接错了库，那你就麻烦了。程序可能动则崩溃，原因在于在一个内存管理器中分配的内存，在另外一个内存管理器中释放时出现了问题。

 

10.     返回指向临时变量的指针

大家都知道，栈里面的变量都是临时的。当前函数执行完成时，相关的临时变量和参数都被清除了。不能把指向这些临时变量的指针返回给调用者，这样的指针指向的数据是随机的，会给程序造成不可预料的后果。

 

下面是个错误的例子：

char* get_str(void)

{

    char str[] = {"abcd"};

 

    return str;

}

 

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

{

    char* p = get_str();

 

    printf("%s/n", p);

 

    return 0;

}

 

 

下面这个例子没有问题，大家知道为什么吗？

char* get_str(void)

{

    char* str = {"abcd"};

 

    return str;

}

 

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

{

    char* p = get_str();

 

    printf("%s/n", p);

 

    return 0;

}

 

11.     试图修改常量

在函数参数前加上const修饰符，只是给编译器做类型检查用的，编译器禁止修改这样的变量。但这并不是强制的，你完全可以用强制类型转换绕过去，一般也不会出什么错。

 

而全局常量和字符串，用强制类型转换绕过去，运行时仍然会出错。原因在于它们是是放在.rodata里面的，而.rodata内存页面是不能修改的。试图对它们修改，会引发内存错误。

 

下面这个程序在运行时会出错：

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

{

    char* p = "abcd";

 

    *p = '1';

 

    return 0;

}

 

 

12.     误解传值与传引用

在C/C++中，参数默认传递方式是传值的，即在参数入栈时被拷贝一份。在函数里修改这些参数，不会影响外面的调用者。如：

 

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

 

void get_str(char* p)

{

    p = malloc(sizeof("abcd"));

    strcpy(p, "abcd");

 

    return;

}

 

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

{

    char* p = NULL;

 

    get_str(p);

 

    printf("p=%p/n", p);

 

    return 0;

}

 

在main函数里，p的值仍然是空值。

 

13.     重名符号。

无论是函数名还是变量名，如果在不同的作用范围内重名，自然没有问题。但如果两个符号的作用域有交集，如全局变量和局部变量，全局变量与全局变量之间，重名的现象一定要坚决避免。gcc有一些隐式规则来决定处理同名变量的方式，编译时可能没有任何警告和错误，但结果通常并非你所期望的。

 

下面例子编译时就没有警告：

t.c

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

 

int count = 0;

 

int get_count(void)

{

    return count;

}

 

 

main.c

#include <stdio.h>

 

extern int get_count(void);

 

int count;

 

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

{

    count = 10;

 

    printf("get_count=%d/n", get_count());

 

    return 0;

}

 

如果把main.c中的int count;修改为int count = 0;，gcc就会编辑出错，说multiple definition of `count'。它的隐式规则比较奇妙吧，所以还是不要依赖它为好。

 

14.     栈溢出。

我们在前面关于堆栈的一节讲过，在PC上，普通线程的栈空间也有十几M，通常够用了，定义大一点的临时变量不会有什么问题。

 

而在一些嵌入式中，线程的栈空间可能只5K大小，甚至小到只有256个字节。在这样的平台中，栈溢出是最常用的错误之一。在编程时应该清楚自己平台的限制，避免栈溢出的可能。

 

15.     误用sizeof。

尽管C/C++通常是按值传递参数，而数组则是例外，在传递数组参数时，数组退化为指针（即按引用传递），用sizeof是无法取得数组的大小的。

 

从下面这个例子可以看出：

void test(char str[20])

{

    printf("%s:size=%d/n", __func__, sizeof(str));

}  

 

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

{

    char str[20]  = {0};

 

    test(str);

 

    printf("%s:size=%d/n", __func__, sizeof(str));

   

    return 0;

}

[root@localhost mm]# ./t.exe

test:size=4

main:size=20

 

16.     字节对齐。

字节对齐主要目的是提高内存访问的效率。但在有的平台(如arm7)上，就不光是效率问题了，如果不对齐，得到的数据是错误的。

 

所幸的是，大多数情况下，编译会保证全局变量和临时变量按正确的方式对齐。内存管理器会保证动态内存按正确的方式对齐。要注意的是，在不同类型的变量之间转换时要小心，如把char*强制转换为int*时，要格外小心。

 

另外，字节对齐也会造成结构大小的变化，在程序内部用sizeof来取得结构的大小，这就足够了。若数据要在不同的机器间传递时，在通信协议中要规定对齐的方式，避免对齐方式不一致引发的问题。

 

17.     字节顺序。

字节顺序历来是设计跨平台软件时头疼的问题。字节顺序是关于数据在物理内存中的布局的问题，最常见的字节顺序有两种：大端模式与小端模式。

 

大端模式是高位字节数据存放在低地址处，低位字节数据存放在高地址处。

小端模式指低位字节数据存放在内存低地址处，高位字节数据存放在内存高地址处；

 

       比如long n = 0x11223344。

      

模式

第1个字节

第2个字节

第3个字节

第4个字节

大端模式

0x11

0x22

0x33

0x44

小端模式

0x44

0x33

0x22

0x11

 

在普通软件中，字节顺序问题并不引人注目。而在开发与网络通信和数据交换有关的软件时，字节顺序问题就要特殊注意了。

 

18.     多线程共享变量没有用valotile修饰。

在关于全局内存的一节中，我们讲了valotile的作用，它告诉编译器，不要把变量优化到寄存器中。在开发多线程并发的软件时，如果这些线程共享一些全局变量，这些全局变量最好用valotile修饰。这样可以避免因为编译器优化而引起的错误，这样的错误非常难查。

 

可能还有其它一些内存相关错误，一时想不全面，这里算是抛砖引玉吧，希望各位高手补充。

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作者联系方式：李先静 <xianjimli at hotmail dot com>

更新时间：2007-7-9