数组越界

例子

C/C++ 中的内置数组没有任何边界检查，这使得访问数组的时候必须十分小心，如果出现越界访问，那么行为将是不可确定的。这里我们展示一个越界访问的例子：

{% highlight cpp linenos %}
#include <iostream>

int main(int argc, char *argv[]) {

    int array[5] = { 0 };

    for(int i = 0; ; ++i) {
        std::cout << i << '\t' << array[i] << std::endl;
    }

    return 0;
}

{%endhighlight%}

解说

代码中声明了一个大小为 5 的数组，为了观察访问越界的行为，我们用一个循环进行越界访问，因为打印出来的结果可能会很长，所以这里只说下结论：

• 对于前五个元素，打印结果是正常的，正如我们初始化的一样，array[i] 为 0 .
• 对于第五个之后的元素，一般来说，会打印出一个不确定的整数，直到在打印某个元素的时候，出现了 "segmentation fault".

我们用 gdb 可以看到 segmentation fault 出现的堆栈情况，下面是我一次实际运行的情况：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x0000000100001214 in main (argc=1, argv=0x7fff5fbffb70) at eg1.cpp:6
6	        std::cout << i << '\t' << array[i] << std::endl;
(gdb) where
#0  0x0000000100001214 in main (argc=1, argv=0x7fff5fbffb70) at eg1.cpp:6
(gdb) p i
$1 = 140604
(gdb)

可以看到，这里 i 的值已经相当大了，所以这里需要强调的就是，数组越界不是必然导致段错误，有时候只是访问到了一些脏数据，这会导致重现该段错误的重现可能会很困难，配置好环境以便在出现段错误的时候能够保存有检查错误用的 core dump 文件非常重要。

空指针

例子 1

代码

{% highlight cpp linenos %}
int main(int argc, char argv[]) {
int p = NULL;

std::cout << *p << std::endl;

return 0;

}
{%endhighlight%}

解说

上面是一个最小的空指针异常的例子，当我们尝试对一个空指针解引用时，就会导致段错误。用 gdb 查看崩溃时栈信息如下：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x0000000100000d09 in main (argc=1, argv=0x7fff5fbffb70) at eg2.cpp:6
6	    std::cout << *p << std::endl;
(gdb) p p
$1 = (int *) 0x0
(gdb)

例子2

代码

{% highlight cpp linenos %}
#include <iostream>

class Test {
public:
void nonVirtualFunc() {
std::cout << "non virtual function called" << std::endl;
}

void nonVirtualFuncWithStaticMember() {
    std::cout << "non virtual function with static member called, " << static_number << std::endl;
}

void nonVirtualFuncWithMember() {
    std::cout << "non virtual function with member called" << non_static_number << std::endl;
}


virtual void virtualFunc() {
    std::cout << "virtual function called" << std::endl;
}

static void staticFunc() {
    std::cout << "static function called" << std::endl;
}

int non_static_number {0};
static int static_number;

};

int Test::static_number = 0;

int main(int argc, char argv[]) {
Test p = NULL;
p->staticFunc(); // ok
p->nonVirtualFunc(); // ok
p->nonVirtualFuncWithStaticMember(); // ok
p->nonVirtualFuncWithMember(); // error
p->virtualFunc(); // error
return 0;
}
{%endhighlight%}

解说

这个例子考虑类 Test 的对象空指针在什么情况会导致段错误。这里分为 5 种情况：

1. 访问类的静态成员函数. 对应函数 staticFunc.
2. 访问类的成员函数，但是成员函数不访问类的成员. 对应函数 nonVirtualFunc.
3. 访问类的成员函数，成员函数访问类的静态成员. 对应函数 nonVirtualFuncWithStaticMember.
4. 访问类的成员函数，成员函数访问类的普通成员. 对应函数 nonVirtualFuncWithMember.
5. 访问类的虚函数. 对应函数 virtualFunc.

相应的情况标注在代码中，error表示会出现段错误。从原理上说，是否会出现段错误，关键是是否访问了指针所指向的内存。细分来说，有以下几点：

• 静态成员是独立于每一个类对象存在的，所以只访问静态成员或者调用静态函数不会导致段错误。
• 非虚成员函数，如果不访问类成员，也不需要访问类对象内存，不会导致段错误。
• 如果访问了类成员，必然导致段错误。
• 如果成员函数是虚函数，那么由于需要访问对象的虚函数表，也需要访问类对象内存，所以不管虚函数本身是否访问了类成员，都会导致段错误。

prinf

问题

printf/sprinf 一类与字符串格式化相关的 C 语言风格函数即使在 c++ 中也常有应用. 也有很多日志库也以类似的风格设计，于是就出现一个问题，如果在格式化中，原本应该是一个字符串的地方放置了一个整形，或者是一个整形的位置放置了一个字符串，会出现什么情况。比如以下例子：

{% highlight cpp linenos %}
#include<stdio.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
int i; //不赋值，表示 i 可以为任意整形数
printf("%s", i);

return 0;

}
{% endhighlight %}

解说

类似问题中的例子，出现的行为是不确定的，因为 i 会被强制转型为一个 char* 来解释，随着 i 的值的不同，行为会有所不同.

• 如果 i 所指向地址可以访问，则打印该地址解释为字符串之后的内容。当然，也有可能地址可以访问，但是无法解释为 c 风格的字符串，也可能产生段错误。
• 如果 i 指向地址不可访问，则产生段错误。

除了以字符串形式去解释整形，printf 还可能出现其他错误：

1. 以整形解释字符串，应该出现 %s 的地方出现了 %d (或者其他整形的格式符).
2. 误用了不同长度的整形的描述符，该用 %ld 的地方使用了 %d，或者相反.
3. 格式符和参数数量不匹配。

对于头两种情况，准确的说法，行为都是不确定的，也可能出现段错误，但是大部分时候出现的是打印错误，因为访问到不可访问的内存的可能性较低. 对最后一种情况，如果是格式符多的话，出现段错误可能性就很大了，反过来倒是没什么问题，但也是一种错误。

总结

不管怎样，printf 一类函数误用格式符都是非常危险的。利用编译器的警告可以检查出这种问题，只要不偷懒，这一类问题还是相当容易避免的。如果是自己封装的类似的函数，gcc也有相应的扩展可以检查到(可以搜索 "attribute format" ）.