C 语言常见的内存坑

C 语言常见的内存错误类型

提起 C 语言，大家可能会第一个想到指针，接着可能会想起与内存有关的错误。我们就利用这篇博客来总结一下 C 语言中常见的与内存有关的错误！

常见的内存错误

1. 解引用坏指针
2. 读取未初始化的内存
3. 覆盖内存
4. 解引用一个不存在的变量
5. 多次释放一个内存 block
6. 引用被释放的内存
7. 内存 block 释放失败

那么接下来，我们用具体的案例来说明一下上面提到的与内存有关的错误。

Dereferencing Bad Pointers

int val;
scanf("%d",val);

这个代码的本意是使用 scanf 从 stdin 读取一个整数到 val 这个变量。但是 scanf 需要的参数是一个格式字符串和变量的地址

scanf("%d",&val);

这个内存相关的错误是把 val 的值作为一个内存地址来使用了，程序会试图将一个整数写到这个内存位置上， 这样做会导致不可预知的后果，如果运气好的话，程序会由于 segmentation fault 导致崩溃。如果运气不好的话，val 的值对应到了虚拟内存中的一些有效的读写区域，导致 scanf 将数据覆盖到该内存区域，然后发生无法预料的错误，这种类型的错误难以被发现或者调试。

Reading Uninitialized Memory

 /* return y = Ax */
int *matvec(int **A, int *x) {
   int *y = (int *)malloc( N * sizeof(int) );
   int i, j;
   for (i=0; i<N; i++) {
      for (j=0; j<N; j++) {
         y[i] += A[i][j] * x[j];
      }
}
return y; }

在 C 语言中，为初始化的全局变量总是会被加载器初始化为零，但是对于堆内存却不会主动初始化。
在程序中，y[i] 这个变量的初始值并不一定等于零，但是从程序的写法来看，程序员默认 y[i] 这个变量的初始值就是为零。对于这个类型错误的解决办法就是正确的初始化变量，将 y[i] 设置为零。
读取未初始化的内存错误，简单来说本来初始化的内存就都存在这个内存区域里面，但是程序到其他内存区域读写数据了。

Overwriting Memory

1、错误估计了对象的大小

 int **p;
p = (int **)malloc( N * sizeof(int) );
for (i=0; i<N; i++) {
   p[i] = (int *)malloc( M * sizeof(int) );
}

这个程序是创建一个由 N 个指针组成的数组，每个指针指向一个包含 M 个 int 类型的元素的数组。
但是

p = (int **)malloc( N * sizeof(int) ); 

这句代码是假设了指针和指针它们指向的对象是大小相同的，将sizeof(int) 和 sizeof(int*) 混同，这段代码在 int 字节大小和指向 int 的指针的字节大小相同的机器上会正确运行，但是如果不相等就会出问题，正确的代码应该是

p = (int **)malloc( N * sizeof( int * ) ); 

2、错位错误

int **p;
p = (int **)malloc( N * sizeof(int *) );
for (i=0; i<=N; i++) {
   p[i] = (int *)malloc( M * sizeof(int) );
}

这段代码是创建了一个 N 个元素的指针数组，但是在初始化指针数组的时候初始化了 N+1 个，把 p 数组后面的内存位置覆盖掉了。

3、未做数组越界检查

 char s[8];
int i;
gets(s);  /* reads “123456789” from stdin */

这个程序不检查输入的字符串的大小就写入栈中的目标缓冲区，那么就会造成缓冲区溢出错误，为了避免这个错误不要使用 gets 函数而是使用 fgets 函数，这个函数有对字符串的大小进行限制。
。
4、误解指针运算

int *search(int *p, int val) {
   while (p && *p != val)
      p += sizeof(int);
return p; 
}

5、引用指针而不是它所指的对象

int *getPacket(int **packets, int *size) {
   int *packet;
   packet = packets[0];
   packets[0] = packets[*size - 1];
   *size--;   // what is happening here?
   reorderPackets(packets, *size);
   return(packet);
}

这段代码是由于没有留意 C 操作符的优先级和结合性导致错误的操作了指针，而不是指针所指的对象。

*size--

本意是减少 size 指针指向的值，但是实际运行情况是减少的是指针自己的值。运气够好的话，程序马上出错。要是运气差的话，程序运行了一段时间后才出错，这个时候估计都不知道上哪里寻找错误了。
程序中的 p 指针运算 p += sizeof(int) ，每次都把指针加了4，这样导致访问了数组中的每 4 个整数。指针的算术操作是以它们指向的对象的大小为单位来操作的，但是这个对象的大小单位不一定是 int 。

6、引用不存在的变量

int *foo () {
   int val;
   return &val;
}

这段程序主要是利用栈的理解，这个函数返回一个指针 &val，指向栈里的一个局部变量，然后弹出它的栈帧，这个时候虽然 &val 仍然指向一个合法的内存地址，但是它已经不再是指向 val 变量了。当 &val 指向的内存地址被重新利用之后，程序会带来令人困惑的运行结果。

Freeing Blocks Multiple Times

 x = (int *)malloc( N * sizeof(int) );
        <manipulate x>
free(x); ...
y = (int *)malloc( M * sizeof(int) );
free(x);
        <manipulate y>

这段程序把指针 x 指向的内存地址释放了 2 次，第一次释放了正确的内存地址，第二次释放的时候有可能会将已经写在该内存地址的数据释放掉，从而造成无法预料的后果。

Referencing Freed Blocks

 x = (int *)malloc( N * sizeof(int) );
  <manipulate x>
free(x); ...
y = (int *)malloc( M * sizeof(int) );
for (i=0; i<M; i++)
   y[i] = x[i]++;

这个程序的错误是引用了已经被释放了的堆块中的数据，这个类型的错误只会在程序执行的后面才会显示出破坏效果。

Failing to Free Blocks (Memory Leaks)

foo() {
   int *x = (int *)malloc(N*sizeof(int));
   ...
   return;
}

这段程序会引起内存泄漏，内存泄漏是缓慢的隐形杀手，在堆里分配了块，使用完之后忘记释放，那么就创建了垃圾。如果垃圾变多了，运气够差的话，会占用整个虚拟地址空间。像是一些比较重要的进程如守护进程，这个守护进程是不会终止的，所以内存泄漏对这类不会终止的进程来说，危害巨大。

参考

这笔记来自于学习华盛顿大学的 《软硬件接口》 课程的课程记录，