C 語言編程中的 5 個常見錯誤及對應解決方案
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即使是最好的程序員也無法完全避免錯誤。這些錯誤可能會引入安全漏洞、導致程序崩潰或產生意外操作,具體影響要取決於程序的運行邏輯。
C 語言有時名聲不太好,因為它不像近期的編程語言(比如 Rust)那樣具有內存安全性。但是通過額外的代碼,一些最常見和嚴重的 C 語言錯誤是可以避免的。下文講解了可能影響應用程序的五個錯誤以及避免它們的方法:
1、未初始化的變數
程序啟動時,系統會為其分配一塊內存以供存儲數據。這意味著程序啟動時,變數將獲得內存中的一個隨機值。
有些編程環境會在程序啟動時特意將內存「清零」,因此每個變數都得以有初始的零值。程序中的變數都以零值作為初始值,聽上去是很不錯的。但是在 C 編程規範中,系統並不會初始化變數。
看一下這個使用了若干變數和兩個數組的示常式序:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int
main()
{
int i, j, k;
int numbers[5];
int *array;
puts("These variables are not initialized:");
printf(" i = %dn", i);
printf(" j = %dn", j);
printf(" k = %dn", k);
puts("This array is not initialized:");
for (i = 0; i < 5; i++) {
printf(" numbers[%d] = %dn", i, numbers[i]);
}
puts("malloc an array ...");
array = malloc(sizeof(int) * 5);
if (array) {
puts("This malloc'ed array is not initialized:");
for (i = 0; i < 5; i++) {
printf(" array[%d] = %dn", i, array[i]);
}
free(array);
}
/* done */
puts("Ok");
return 0;
}
這個程序不會初始化變數,所以變數以系統內存中的隨機值作為初始值。在我的 Linux 系統上編譯和運行這個程序,會看到一些變數恰巧有「零」值,但其他變數並沒有:
These variables are not initialized:
i = 0
j = 0
k = 32766
This array is not initialized:
numbers[0] = 0
numbers[1] = 0
numbers[2] = 4199024
numbers[3] = 0
numbers[4] = 0
malloc an array ...
This malloc'ed array is not initialized:
array[0] = 0
array[1] = 0
array[2] = 0
array[3] = 0
array[4] = 0
Ok
很幸運,i
和 j
變數是從零值開始的,但 k
的起始值為 32766。在 numbers
數組中,大多數元素也恰好從零值開始,只有第三個元素的初始值為 4199024。
在不同的系統上編譯相同的程序,可以進一步顯示未初始化變數的危險性。不要誤以為「全世界都在運行 Linux」,你的程序很可能某天在其他平台上運行。例如,下面是在 FreeDOS 上運行相同程序的結果:
These variables are not initialized:
i = 0
j = 1074
k = 3120
This array is not initialized:
numbers[0] = 3106
numbers[1] = 1224
numbers[2] = 784
numbers[3] = 2926
numbers[4] = 1224
malloc an array ...
This malloc'ed array is not initialized:
array[0] = 3136
array[1] = 3136
array[2] = 14499
array[3] = -5886
array[4] = 219
Ok
永遠都要記得初始化程序的變數。如果你想讓變數將以零值作為初始值,請額外添加代碼將零分配給該變數。預先編好這些額外的代碼,這會有助於減少日後讓人頭疼的調試過程。
2、數組越界
C 語言中,數組索引從零開始。這意味著對於長度為 10 的數組,索引是從 0 到 9;長度為 1000 的數組,索引則是從 0 到 999。
程序員有時會忘記這一點,他們從索引 1 開始引用數組,產生了 「大小差一」 錯誤。在長度為 5 的數組中,程序員在索引「5」處使用的值,實際上並不是數組的第 5 個元素。相反,它是內存中的一些其他值,根本與此數組無關。
這是一個數組越界的示常式序。該程序使用了一個只含有 5 個元素的數組,但卻引用了該範圍之外的數組元素:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int
main()
{
int i;
int numbers[5];
int *array;
/* test 1 */
puts("This array has five elements (0 to 4)");
/* initalize the array */
for (i = 0; i < 5; i++) {
numbers[i] = i;
}
/* oops, this goes beyond the array bounds: */
for (i = 0; i < 10; i++) {
printf(" numbers[%d] = %dn", i, numbers[i]);
}
/* test 2 */
puts("malloc an array ...");
array = malloc(sizeof(int) * 5);
if (array) {
puts("This malloc'ed array also has five elements (0 to 4)");
/* initalize the array */
for (i = 0; i < 5; i++) {
array[i] = i;
}
/* oops, this goes beyond the array bounds: */
for (i = 0; i < 10; i++) {
printf(" array[%d] = %dn", i, array[i]);
}
free(array);
}
/* done */
puts("Ok");
return 0;
}
可以看到,程序初始化了數組的所有值(從索引 0 到 4),然後從索引 0 開始讀取,結尾是索引 9 而不是索引 4。前五個值是正確的,再後面的值會讓你不知所以:
This array has five elements (0 to 4)
numbers[0] = 0
numbers[1] = 1
numbers[2] = 2
numbers[3] = 3
numbers[4] = 4
numbers[5] = 0
numbers[6] = 4198512
numbers[7] = 0
numbers[8] = 1326609712
numbers[9] = 32764
malloc an array ...
This malloc'ed array also has five elements (0 to 4)
array[0] = 0
array[1] = 1
array[2] = 2
array[3] = 3
array[4] = 4
array[5] = 0
array[6] = 133441
array[7] = 0
array[8] = 0
array[9] = 0
Ok
引用數組時,始終要記得追蹤數組大小。將數組大小存儲在變數中;不要對數組大小進行 硬編碼 。否則,如果後期該標識符指向另一個不同大小的數組,卻忘記更改硬編碼的數組長度時,程序就可能會發生數組越界。
3、字元串溢出
字元串只是特定類型的數組。在 C 語言中,字元串是一個由 char
類型值組成的數組,其中用一個零字元表示字元串的結尾。
因此,與數組一樣,要注意避免超出字元串的範圍。有時也稱之為 字元串溢出。
使用 gets
函數讀取數據是一種很容易發生字元串溢出的行為方式。gets
函數非常危險,因為它不知道在一個字元串中可以存儲多少數據,只會機械地從用戶那裡讀取數據。如果用戶輸入像 foo
這樣的短字元串,不會發生意外;但是當用戶輸入的值超過字元串長度時,後果可能是災難性的。
下面是一個使用 gets
函數讀取城市名稱的示常式序。在這個程序中,我還添加了一些未使用的變數,來展示字元串溢出對其他數據的影響:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int
main()
{
char name[10]; /* Such as "Chicago" */
int var1 = 1, var2 = 2;
/* show initial values */
printf("var1 = %d; var2 = %dn", var1, var2);
/* this is bad .. please don't use gets */
puts("Where do you live?");
gets(name);
/* show ending values */
printf("<%s> is length %dn", name, strlen(name));
printf("var1 = %d; var2 = %dn", var1, var2);
/* done */
puts("Ok");
return 0;
}
當你測試類似的短城市名稱時,該程序運行良好,例如伊利諾伊州的 Chicago
或北卡羅來納州的Raleigh
:
var1 = 1; var2 = 2
Where do you live?
Raleigh
<Raleigh> is length 7
var1 = 1; var2 = 2
Ok
威爾士的小鎮 Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch
有著世界上最長的名字之一。這個字元串有 58 個字元,遠遠超出了 name
變數中保留的 10 個字元。結果,程序將值存儲在內存的其他區域,覆蓋了 var1
和 var2
的值:
var1 = 1; var2 = 2
Where do you live?
Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch
<Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch> is length 58
var1 = 2036821625; var2 = 2003266668
Ok
Segmentation fault (core dumped)
在運行結束之前,程序會用長字元串覆蓋內存的其他部分區域。注意,var1
和 var2
的值不再是起始的 1
和 2
。
避免使用 gets
函數,改用更安全的方法來讀取用戶數據。例如,getline
函數會分配足夠的內存來存儲用戶輸入,因此不會因輸入長值而發生意外的字元串溢出。
4、重複釋放內存
「分配的內存要手動釋放」是良好的 C 語言編程原則之一。程序可以使用 malloc
函數為數組和字元串分配內存,該函數會開闢一塊內存,並返回一個指向內存中起始地址的指針。之後,程序可以使用 free
函數釋放內存,該函數會使用指針將內存標記為未使用。
但是,你應該只使用一次 free
函數。第二次調用 free
會導致意外的後果,可能會毀掉你的程序。下面是一個針對此點的簡短示常式序。程序分配了內存,然後立即釋放了它。但為了模仿一個健忘但有條理的程序員,我在程序結束時又一次釋放了內存,導致兩次釋放了相同的內存:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int
main()
{
int *array;
puts("malloc an array ...");
array = malloc(sizeof(int) * 5);
if (array) {
puts("malloc succeeded");
puts("Free the array...");
free(array);
}
puts("Free the array...");
free(array);
puts("Ok");
}
運行這個程序會導致第二次使用 free
函數時出現戲劇性的失敗:
malloc an array ...
malloc succeeded
Free the array...
Free the array...
free(): double free detected in tcache 2
Aborted (core dumped)
要記得避免在數組或字元串上多次調用 free
。將 malloc
和 free
函數定位在同一個函數中,這是避免重複釋放內存的一種方法。
例如,一個紙牌遊戲程序可能會在主函數中為一副牌分配內存,然後在其他函數中使用這副牌來玩遊戲。記得在主函數,而不是其他函數中釋放內存。將 malloc
和 free
語句放在一起有助於避免多次釋放內存。
5、使用無效的文件指針
文件是一種便捷的數據存儲方式。例如,你可以將程序的配置數據存儲在 config.dat
文件中。Bash shell 會從用戶家目錄中的 .bash_profile
讀取初始化腳本。GNU Emacs 編輯器會尋找文件 .emacs
以從中確定起始值。而 Zoom 會議客戶端使用 zoomus.conf
文件讀取其程序配置。
所以,從文件中讀取數據的能力幾乎對所有程序都很重要。但是假如要讀取的文件不存在,會發生什麼呢?
在 C 語言中讀取文件,首先要用 fopen
函數打開文件,該函數會返回指向文件的流指針。你可以結合其他函數,使用這個指針來讀取數據,例如 fgetc
會逐個字元地讀取文件。
如果要讀取的文件不存在或程序沒有讀取許可權,fopen
函數會返回 NULL
作為文件指針,這表示文件指針無效。但是這裡有一個示常式序,它機械地直接去讀取文件,不檢查 fopen
是否返回了 NULL
:
#include <stdio.h>
int
main()
{
FILE *pfile;
int ch;
puts("Open the FILE.TXT file ...");
pfile = fopen("FILE.TXT", "r");
/* you should check if the file pointer is valid, but we skipped that */
puts("Now display the contents of FILE.TXT ...");
while ((ch = fgetc(pfile)) != EOF) {
printf("<%c>", ch);
}
fclose(pfile);
/* done */
puts("Ok");
return 0;
}
當你運行這個程序時,第一次調用 fgetc
會失敗,程序會立即中止:
Open the FILE.TXT file ...
Now display the contents of FILE.TXT ...
Segmentation fault (core dumped)
始終檢查文件指針以確保其有效。例如,在調用 fopen
打開一個文件後,用類似 if (pfile != NULL)
的語句檢查指針,以確保指針是可以使用的。
人都會犯錯,最優秀的程序員也會產生編程錯誤。但是,遵循上面這些準則,添加一些額外的代碼來檢查這五種類型的錯誤,就可以避免最嚴重的 C 語言編程錯誤。提前編寫幾行代碼來捕獲這些錯誤,可能會幫你節省數小時的調試時間。
via: https://opensource.com/article/21/10/programming-bugs
作者:Jim Hall 選題:lujun9972 譯者:unigeorge 校對:wxy
本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive