c++ stl sort函数奔溃问题

转载自新浪博客这位牛人

一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz） 此博文包含图片 (2012-10-08 10:06:24)转载▼
标签： it 分类： 工作
近期我们开发的一个工具在调用c++ sort函数对数组进行排序时居然会导致进程崩溃，此问题细节我觉得对于类似我这种不常用stl的同学可能不容易觉察，这里简单总结下。
出错代码
因为代码太复杂不好展示，我这里就用下面这个简单的示例来描述。
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）

不知你是否直觉上也会觉得这段代码没什么问题，但是这段代码运行后会core dump。查看core文件可以看到内存里的栈被写坏了，这说明sort调用导致了内存越界访问，在这么少的代码行下，不难判定应该是comp函数实现可能不符合c++标准库的某种规则（C++ STL是基于concept的设计和实现）。
comp函数应该怎么写
带着这个疑问我去查了下c++ stl手册(http://www.cplusplus.com/reference/algorithm/sort/)，发现sort函数对于comp函数还真有一个特殊的要求，叫做“Strict Weak Ordering”。什么意思呢，它大概可以这么解释：如果一个comp函数要满足“Strict Weak Ordering”，意味着它应该满足如下特征（更多细节可以参见SGI版实现相关描述http://www.sgi.com/tech/stl/StrictWeakOrdering.html）:
(a) 反自反性：也即comp(x, x)必须是false
(b) 非对称性：也即如果comp(x, y)和comp(y, x)的结果必然相反
(c) 可传递性：也即如果comp(x, y)为true，comp(y, z)为true，那么comp(x, z)必然为true
这么看到，示例代码的comp定义明显违反了(a)(b)两条，所以sort使用它时就可能工作不正常。解决办法也很简单，去掉那个“=”，再对照下”Strict Weak Ordering”的定义，应该是满足了的。
sort调用细节还原
带着好奇心，我还是想弄明白不符合规范的comp到底在sort中哪个环节出了什么问题， stl为什么要求使用者符合“Strict Weak Ordering “规则呢？那就翻看下源代码好好认识下sort函数实现(/usr/include/c++/4.1.2/bits/stl_algo.h)
sort：先看下sort函数，它本身很简单，把整个排序过程分为introsort和insertion_sort两个阶段。
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）

introsort：这个函数的功能是对数组进行排序，思路和普通的quicksort很相似。选个“哨兵“（Pivot，也即下面__cut变量）出来，然后把数组一分为二，接着对分出来的两块递归排序。和普通quicksort不同的是，当输入的数组长度小于16(_S_threshold定义)时，它就不管了（把这个工作丢给了sort函数第二阶段处理，也即__final_insertion_sort函数）。另外，调用方可以通过参数__depth_limit来限制递归和循环深度（我们都知道，快排在worst-cast下性能很差的），一旦发现调用深度达到这个限制，就直接启用堆排序（partial_sort）。Introsort是个有名的算法，大家可以wiki它了解更多设计细节。
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）
上面这个introsort我个人觉得可读性不是很好，原因是它对数组左半部【__first, __cut]部分使用递推(while循环)，而对数组右半部分【__cust, __last]采用递归调用，如果写成下面这个样子估计会好懂很多。
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）

__final_insertion_sort：插入排序，这个比较好懂，看起来它的思路就是对数组a[0]~a[15]部分调用__insertion_sort，对a[16]~a[N-1]部分调用__ungarded_insertion_sort（自然，长度不及16的数组，就没有这部分调用了）.
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）

__insertion_sort：这也挺好懂，依次遍历a[1]~a[N-1]，将它与a[0]比较，如果a[i]应该排在a[0]前（2303行），那么将a[0]~a[i]部分向后移动一格(copy_backward)，然后设置a[0] = a[i]。如果a[i]应该排在a[0]后（2383行），那么转入__ungarded_insertion_sort（实际就是将a[i]与a[i-1]比，如果a[i]应该排在a[i-1]前，那么把a[i-1]向后挪一格，然后将a[i]与a[i-2]比…），具体实现细节见后文。
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）

__unguarded_insertion_sort：依前文，数组a[16]~a[N]部分交给这个函数处理，它使用的__unguarded_insertion_insert来完成插入排序。
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）

__unguarded_linear_insert: 这函数名起得就感觉不够安全啊。从代码分析来看，就是给定一个指针__last和待插入的值__val，只要通过调用comp函数判断__val应该在__last前，我们就将__last向后搬动一格(2253~2255行)，当其停止时就将__val插入在停止的位置
一次stl sort调用导致的进程崩溃（zz）

这时再看看我们提供的comp函数，当输入数组全部相同时，comp调用永远都返回true，也即2251行肯定会跑出数组范围（内存越界），并且一路改写（2253行），直到碰到一个内存值恰巧使得2251行停下来。
把前面的代码综合来看，sort函数设计思路大概是这样的：
首先，它通过introsort把数组分作几个段（段的长度不超过_S_threshold，即16），一个段内可以是无序的，但是段与段之间是有序的（例如，第二段的数据一定都排在第一段数据后面）。然后，对于第二段之后的数据，就使用_unguarded_linear_insert来一个一个插入排序。
那么我们函数错哪儿了呢？按设计思路，经过introsort后，第二段任意数据d2和第一段任意数据d1，comp(d2, d1)结果一定是false（false表示d2应该在d1后面），这就是2251行代码退出的保障，但是我们提供的函数返回的却是true。这就导致代码行2251~2256在寻找插入的位置时会越界访问。
小结：翻看下stl其它函数需提供comp的函数，基本都要求满足Strict Weak Ordering，可见理解该概念对于用好stl还是挺重要的。