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C语言教程内存调试技巧:C 语言最大难点揭秘

内存调试技巧:C 语言最大难点揭秘

更新时间:2013-04-16 00:19:25 |

      C 和 C++ 程序中的内存错误非常有害:它们很常见,并且可能导致严重的后果。来自计算机应急响应小组(请参见参考资料)和供应商的许多最严重的安全公告都是由简单的内存错误造成的。自从 70 年代末期以来,C 程序员就一直讨论此类错误,但其影响在 2007 年仍然很大。更糟的是,如果按我的思路考虑,当今的许多 C 和 C++ 程序员可能都会认为内存错误是不可控制而又神秘的顽症,它们只能纠正,无法预防。

但事实并非如此。本文将让您在短时间内理解与良好内存相关的编码的所有本质:

  • 正确的内存管理的重要性
  • 内存错误的类别
  • 内存编程的策略
  • 结束语

 

正确的内存管理的重要性

存在内存错误的 C 和 C++ 程序会导致各种问题。如果它们泄漏内存,则运行速度会逐渐变慢,并最终停止运行;如果覆盖内存,则会变得非常脆弱,很容易受到恶意用户的攻击。从 1988 年著名的莫里斯蠕虫攻击到有关 Flash Player 和其他关键的零售级程序的最新安全警报都与缓冲区溢出有关:“大多数计算机安全漏洞都是缓冲区溢出”,Rodney Bates 在 2004 年写道。

在可以使用 C 或 C++ 的地方,也广泛支持使用其他许多通用语言(如 Java™、Ruby、Haskell、C#、Perl、Smalltalk 等),每种语言都有众多的爱好者和各自的优点。但是,从计算角度来看,每种编程语言优于 C 或 C++ 的主要优点都与便于内存管理密切相关。与内存相关的编程是如此重要,而在实践中正确应用又是如此困难,以致于它支配着面向对象编程语言、功能性编程语言、高级编程语言、声明性编程语言和另外一些编程语言的所有其他变量或理论。

与少数其他类型的常见错误一样,内存错误还是一种隐性危害:它们很难再现,症状通常不能在相应的源代码中找到。例如,无论何时何地发生内存泄漏,都可能表现为应用程序完全无法接受,同时内存泄漏不是显而易见。

因此,出于所有这些原因,需要特别关注 C 和 C++ 编程的内存问题。让我们看一看如何解决这些问题,先不谈是哪种语言。

内存错误的类别

首先,不要失去信心。有很多办法可以对付内存问题。我们先列出所有可能存在的实际问题:

  • 内存泄漏
  • 错误分配,包括大量增加free()释放的内存和未初始化的引用
  • 悬空指针
  • 数组边界违规

这是所有类型。即使迁移到 C++ 面向对象的语言,这些类型也不会有明显变化;无论数据是简单类型还是 C 语言的struct或 C++ 的类,C 和 C++ 中内存管理和引用的模型在原理上都是相同的。以下内容绝大部分是“纯 C”语言,对于扩展到 C++ 主要留作练习使用。

 

内存泄漏

在分配资源时会发生内存泄漏,但是它从不回收。下面是一个可能出错的模型(请参见清单 1):


清单 1. 简单的潜在堆内存丢失和缓冲区覆盖

 

void f1(char *explanation) { char p1; p1 = malloc(100); (void) sprintf(p1, "The f1 error occurred because of '%s'.", explanation); local_log(p1); }

 

您看到问题了吗?除非local_log()free()释放的内存具有不寻常的响应能力,否则每次对f1的调用都会泄漏 100 字节。在记忆棒增量分发数兆字节内存时,一次泄漏是微不足道的,但是连续操作数小时后,即使如此小的泄漏也会削弱应用程序。

在实际的 C 和 C++ 编程中,这不足以影响您对malloc()new的使用,本部分开头的句子提到了“资源”不是仅指“内存”,因为还有类似以下内容的示例(请参见清单 2)。FILE句柄可能与内存块不同,但是必须对它们给予同等关注:


清单 2. 来自资源错误管理的潜在堆内存丢失

int getkey(char *filename) { FILE *fp; int key; fp = fopen(filename, "r"); fscanf(fp, "%d", &key); return key; }

 

fopen的语义需要补充性的fclose。在没有fclose()的情况下,C 标准不能指定发生的情况时,很可能是内存泄漏。其他资源(如信号量、网络句柄、数据库连接等)同样值得考虑。

内存错误分配

错误分配的管理不是很困难。下面是一个示例(请参见清单 3):


清单 3. 未初始化的指针

void f2(int datum) { int *p2; /* Uh-oh! No one has initialized p2. */ *p2 = datum; ... }

 

关于此类错误的好消息是,它们一般具有显著结果。在 AIX® 下,对未初始化指针的分配通常会立即导致segmentation fault错误。它的好处是任何此类错误都会被快速地检测到;与花费数月时间才能确定且难以再现的错误相比,检测此类错误的代价要小得多。

在此错误类型中存在多个变种。free()释放的内存比malloc()更频繁(请参见清单 4):


清单 4. 两个错误的内存释放

/* Allocate once, free twice. */ void f3() { char *p; p = malloc(10); ... free(p); ... free(p); } /* Allocate zero times, free once. */ void f4() { char *p; /* Note that p remains uninitialized here. */ free(p); }

 

这些错误通常也不太严重。尽管 C 标准在这些情形中没有定义具体行为,但典型的实现将忽略错误,或者快速而明确地对它们进行标记;总之,这些都是安全情形。

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