C语言深入讲解内存操作问题

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：

结构体变量里面包含指针，但是没有初始化，就会变成野指针。所以d1.p[i] = 0; 就会产生 bug。

六、内存操作的规则

动态内存申请之后，应该立即检查指针值是否为 NULL，防止使用 NULL 指针

free 指针之后必须立即赋值为 NULL

任何与内存操作相关的函数都必须带长度信息

malloc 操作和 free 操作必须匹配，防止内存泄露和多次释放。

七、小结-下

内存错误的本质源于指针保存的地址为非法值

• 指针变量未初始化，保存随机值
• 指针运算导致内存越界

内存泄漏源于 malloc 和 free 不匹配

• 当 malloc 次数多于 free 时，产生内存泄漏
• 当 malloc 次数少于 free 时，程序可能崩溃

避免内存泄漏：哪个函数里面进行的 malloc ，就在哪个函数里面 free，不要跨函数去释放动态的内存空间。

到此这篇关于C语言深入讲解内存操作问题的文章就介绍到这了,更多相关C语言 内存操作内容请搜索服务器之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持服务器之家！

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