C语言深入讲解内存操作问题

2022-04-18 09:15:42 作者：清风自在流水潺潺

程序运行的目的是为了得到特定的结果，计算机本质上是用于计算的，既然是用于计算，就需要参与计算的数据，那这些数据就存储在内存中，计算之前参与运算的数据以及运算之后得到的数据，都存储在内存中，所以对内存操作的掌握就尤为重要，下面我们一起来看看

一、野指针

指针变量中的值是非法的内存地址，进而形成野指针
野指针不是 NULL 指针，是指向不可用内存地址的指针
NULL 指针并无危害，很好判断，也很好调试
C 语言中无法判断一个指针所保存的地址是否合法

二、野指针的由来

局部指针变量没有被初始化
指针所指向的变量在指针之前被销毁
使用已经释放过的指针
进行了错误的指针运算
进行了错误的强制类型转换

下面看一个示例：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
 
 
int main()
{
    int* p1 = (int*)malloc(40);
    int* p2 = (int*)1234567;    //p2 是一个野指针
    int i = 0;
    
    printf("%p\n", p1);
    for(i=0; i<40; i++)
    {
        *(p1 + i) = 40 - i; //由于指针运算产生了野指针，改写了非法内存地址
    }
 
    free(p1); 
    
    printf("%p\n", p1);
    
    for(i=0; i<40; i++)
    {
        p1[i] = p2[i];  //使用已经释放了的内存空间
    }
    
    return 0;
}

输出结果如下：

两个打印语句打印出来的地址值是完全相同的，这说明 free() 函数只负责释放 p1 所指向的内存空间，但是不负责将 p1 重置为空指针，或者说重置为任何地址值。

可以做以下修改：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
 
int arr[40] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
 
int main()
{
    int* p1 = (int*)malloc(40 * sizeof(int));
    int* p2 = arr;    
    int i = 0;
    
    printf("%p\n", p1);
    for(i=0; i<40; i++)
    {
        *(p1 + i) = 40 - i; 
    }
 
    free(p1); 
    p1 = NULL;
    
    printf("%p\n", p1);
    
    for(i=0; i<40; i++)
    {
        p1[i] = p2[i];  //使用已经释放了的内存空间
    }
    
    return 0;
}

输出结果如下：

这里注意一个技巧，将释放之后的指针立即赋值成空指针。

三、基本原则

绝不返回局部变量和局部数组的地址
任何变量在定义后必须初始化
字符数组必须确认 0 结束符后才能成为字符串
任何使用与内存操作相关的函数必须指定长度信息

下面再来看一个示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <malloc.h>
 
struct Student
{
    char* name;
    int number;
};
 
char* func()
{
    char p[] = "AutumnZe";
    
    return p;
}
 
void del(char* p)
{
    printf("%s\n", p);
    
    free(p);
}
 
int main()
{
    struct Student s;   //由于没有初始化，产生了野指针
    char* p = func();   //产生了野指针
    
    strcpy(s.name, p);  //使用野指针，name 成员保存的地址值完全不知道
    
    s.number = 99;
    
    p = (char*)malloc(5);
    
    strcpy(p, "AutumnZe");   //产生内存越界，操作了野指针
    
    del(p);
    
    return 0;
}

输出结果如下：

四、小结-上

内存错误是实际产品开发中最常见的问题，然而绝大多数的bug都可以通过遵循基本的编程原则和规范来避免。
因此，在学习的时候要牢记和理解内存操作的基本原则，目的和意义。

五、常见的内存错误

结构体成员指针未初始化
结构体成员指针未分配足够的内存
内存分配成功，但并未初始化
内存操作越界

下面看一个示例：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
 
void test(int* p, int size)
{
    int i = 0;
    
    for(i=0; i<size; i++)
    {
        printf("%d\n", p[i]);
    }
    
    free(p);    //这里多释放了一次内存
}
 
void func(unsigned int size)
{
    int* p = (int*)malloc(size * sizeof(int));
    int i = 0;
    
    if( size % 2 != 0 )
    {
        return; 
    }
    
    for(i=0; i<size; i++)
    {
        p[i] = i;
        printf("%d\n", p[i]);
    }
    
    free(p);
}
 
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    
    test(p, 5);
    
    free(p); 
    
    func(9);
    func(10);
       
    return 0;
}

输出结果如下，可以看到程序崩溃了：

0
0
0
0
0
*** glibc detected *** ./a.out: double free or corruption (fasttop): 0x0969e008 ***
======= Backtrace: =========
/lib/libc.so.6(+0x6c0c1)[0x27b0c1]
/lib/libc.so.6(+0x6d930)[0x27c930]
/lib/libc.so.6(cfree+0x6d)[0x27fa1d]
./a.out[0x804851f]
/lib/libc.so.6(__libc_start_main+0xe7)[0x225ce7]
./a.out[0x8048391]
======= Memory map: ========
0013c000-00158000 r-xp 00000000 08:02 4629 /lib/ld-2.12.1.so
00158000-00159000 r--p 0001b000 08:02 4629 /lib/ld-2.12.1.so
00159000-0015a000 rw-p 0001c000 08:02 4629 /lib/ld-2.12.1.so
0020e000-0020f000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
0020f000-00366000 r-xp 00000000 08:02 4645 /lib/libc-2.12.1.so
00366000-00368000 r--p 00157000 08:02 4645 /lib/libc-2.12.1.so
00368000-00369000 rw-p 00159000 08:02 4645 /lib/libc-2.12.1.so
00369000-0036c000 rw-p 00000000 00:00 0
00dbf000-00dd9000 r-xp 00000000 08:02 102 /lib/libgcc_s.so.1
00dd9000-00dda000 r--p 00019000 08:02 102 /lib/libgcc_s.so.1
00dda000-00ddb000 rw-p 0001a000 08:02 102 /lib/libgcc_s.so.1
08048000-08049000 r-xp 00000000 08:05 525125 /home/delphi/a.out
08049000-0804a000 r--p 00000000 08:05 525125 /home/delphi/a.out
0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:05 525125 /home/delphi/a.out
0969e000-096bf000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
b7600000-b7621000 rw-p 00000000 00:00 0
b7621000-b7700000 ---p 00000000 00:00 0
b77db000-b77dc000 rw-p 00000000 00:00 0
b77e9000-b77ec000 rw-p 00000000 00:00 0
bfc94000-bfcb5000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
已放弃

如果把多余的 free() 注释掉，程序就能正常运行了。

void test(int* p, int size)
{
    int i = 0;
    
    for(i=0; i<size; i++)
    {
        printf("%d\n", p[i]);
    }
    
    //free(p);    //这里多释放了一次内存
}

输出结果如下：

接上面的例子，讨论一下 free 问题，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
 
void test(int* p, int size)
{
    int i = 0;
    
    for(i=0; i<size; i++)
    {
        printf("%d\n", p[i]);
    }
    
    free(p);
}
 
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    int a[2];
    
    test(a, 2);
       
    return 0;
}

输出结果如下：

因为 test(a, 2); 调用 test() 函数时 p 所指向的内存空间是栈上面的空间，但是 free 函数的作用是释放堆上面的空间，所以肯定会发生段错误。

下面再来看一个例子：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
 
struct Demo
{
    char* p;
};
 
int main()
{
    struct Demo d1;
    struct Demo d2;
    
    char i = 0;
    
    for(i='a'; i<'z'; i++)
    {
        d1.p[i] = 0; 
    }
    
    d2.p = (char*)calloc(5, sizeof(char));
    
    printf("%s\n", d2.p);
    
    for(i='a'; i<'z'; i++)
    {
        d2.p[i] = i; //内存越界
    }
    
    free(d2.p);
    
    return 0;
}

输出结果如下：