人人都寫過的五個(gè)Bug！
大家好，我是良許。
計(jì)算機(jī)專業(yè)的小伙伴，在學(xué)校期間一定學(xué)過 C 語言。它是眾多高級語言的鼻祖，深入學(xué)習(xí)這門語言會對計(jì)算機(jī)原理、操作系統(tǒng)、內(nèi)存管理等等底層相關(guān)的知識會有更深入的了解，所以我在直播的時(shí)候，多次強(qiáng)調(diào)大家一定要好好學(xué)習(xí)這門語言。
但是，即使是最有經(jīng)驗(yàn)的程序員也會寫出各種各樣的 Bug。本文就盤點(diǎn)一下學(xué)習(xí)或使用 C 語言過程中，非常容易出現(xiàn)的 5 個(gè) Bug，以及如何規(guī)避這些 Bug。
這篇文章主要面向初學(xué)者，老鳥可以忽略哈（其實(shí)不少老鳥依然還會犯這些低級錯(cuò)誤哦）~
1. 變量未初始化
當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會給它自動(dòng)分配一塊內(nèi)存，程序可以用它來存儲數(shù)據(jù)。所以如果你在定義一個(gè)變量時(shí)，在未初始化的情況下，它的值有可能是任意的。
但這也不是絕對的，有些環(huán)境就會在程序啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)將內(nèi)存「清零」，因此每個(gè)變量默認(rèn)值都是零?？紤]到可移植性，最好要將變量進(jìn)行初始化，這是一名合格軟件工程師應(yīng)該養(yǎng)成的好習(xí)慣。
我們來看下下面這個(gè)使用幾個(gè)變量和兩個(gè)數(shù)組的示例程序：
- #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 = %d\n", i);
- printf(" j = %d\n", j);
- printf(" k = %d\n", k);
- puts("This array is not initialized:");
- for (i = 0; i < 5; i++) {
- printf(" numbers[%d] = %d\n", 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] = %d\n", i, array[i]);
- }
- free(array);
- }
- /* done */
- puts("Ok");
- return 0;
- }
這段程序沒有對變量進(jìn)行初始化，所以變量的值有可能是隨機(jī)的，不一定是零。在我的電腦上它的運(yùn)行結(jié)果如下 ：
- 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
從結(jié)果可以看出，i 和 j 的值剛好是 0，但 k 值為 32766。在 numbers 數(shù)組中，大多數(shù)元素也恰好是零，除了第三個(gè)（4199024）。
在不同的操作系統(tǒng)上編譯這段相同的程序，運(yùn)行的結(jié)果有可能又是不一樣的。所以千萬不要覺得你的結(jié)果就是正確唯一的，一定要考慮可移植性。
例如，這是在 FreeDOS 上運(yùn)行的相同程序的結(jié)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
可以看出來，運(yùn)行的結(jié)果跟上面幾乎是天差地別。所以，對變量進(jìn)行初始化將為你省去很多不必要的麻煩，也便于將來的調(diào)試。
2. 數(shù)組越界
在計(jì)算機(jī)世界里，都是從 0 開始計(jì)數(shù)，但總有人有意無意忘記這點(diǎn)。比如一個(gè)數(shù)組長度為 10 ，想要獲取最后一個(gè)元素的值，總有人用 array[10] ……
別問，問就是我寫過……
新手朋友犯這種低級錯(cuò)誤特別多。我們來看下數(shù)組越界會發(fā)生什么。
- #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] = %d\n", 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] = %d\n", i, array[i]);
- }
- free(array);
- }
- /* done */
- puts("Ok");
- return 0;
- }
請注意，程序初始化了數(shù)組 numbers 所有元素的值（0~4），但是越界讀取了第 0~9 元素的值。可以看出來，前五個(gè)值是正確的，但之后鬼都不知道這些值會是什么：
- 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
所以大家在寫代碼過程中，一定要知道數(shù)組的邊界。像這種數(shù)據(jù)讀取的還好，如果一旦對這些內(nèi)存進(jìn)行寫操作，直接就 core dump ！
3. 字符串溢出
在 C 編程語言中，字符串是一組 char 值，也可以將其視為數(shù)組。因此，你也需要避免超出字符串的范圍。如果超出，則稱為字符串溢出。
為了測試字符串溢出，一種簡單方法是使用 gets 函數(shù)讀取數(shù)據(jù)。gets 函數(shù)非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗恢澜邮账淖址锌梢源鎯Χ嗌贁?shù)據(jù)，只會天真地從用戶那里讀取數(shù)據(jù)。
如果用戶輸入字符串比較短那很好，但如果用戶輸入的值超過接收字符串的長度，則可能是災(zāi)難性的。
下面我們來演示一下這個(gè)現(xiàn)象：
- #include <stdio.h>
- #include <string.h>
- int main()
- {
- char name[10]; /* Such as "Beijing" */
- int var1 = 1, var2 = 2;
- /* show initial values */
- printf("var1 = %d; var2 = %d\n", var1, var2);
- /* this is bad .. please don't use gets */
- puts("Where do you live?");
- gets(name);
- /* show ending values */
- printf("<%s> is length %d\n", name, strlen(name));
- printf("var1 = %d; var2 = %d\n", var1, var2);
- /* done */
- puts("Ok");
- return 0;
- }
在這段代碼里，接收數(shù)組的長度為 10 ，所以當(dāng)輸入數(shù)據(jù)長度小于 10 的話，程序運(yùn)行就沒問題。
例如，輸入城市 Beijing ，長度為 7 ：
- var1 = 1; var2 = 2
- Where do you live?
- Beijing
- <Beijing> is length 7
- var1 = 1; var2 = 2
- Ok
威爾士小鎮(zhèn) Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch 是世界上名字最長的城市，這個(gè)字符串有 58 個(gè)字符，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 name 變量中可保留的 10 個(gè)字符。
如果輸入這個(gè)字符串，其結(jié)果是程序運(yùn)行內(nèi)存的其它位置，比如 var1和var2 ，都有可能被波及：
- var1 = 1; var2 = 2
- Where do you live?
- Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch
- <Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch> is length 58
- var1 = 2036821625; var2 = 2003266668
- Ok
- Segmentation fault (core dumped)
在中止之前，程序使用長字符串覆蓋內(nèi)存的其他部分。請注意，var1 和 var2 不再是它們的起始值 1 和 2 。
所以我們需要使用更安全的方法來讀取用戶數(shù)據(jù)。例如，getline 函數(shù)就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它將分配足夠大的內(nèi)存來存儲用戶輸入，因此用戶不會因輸入太長字符串而意外溢出。
4. 內(nèi)存重復(fù)釋放
良好的 C 編程規(guī)則之一是，如果分配了內(nèi)存，就一定要將其釋放。
我們可以使用 malloc 函數(shù)為數(shù)組和字符串申請內(nèi)存，系統(tǒng)將開辟一塊內(nèi)存并返回一個(gè)指向該內(nèi)存起始地址的指針。內(nèi)存使用完畢后，我們一定要記得使用 free 函數(shù)釋放內(nèi)存，然后系統(tǒng)將該內(nèi)存標(biāo)記為未使用。
但是，這個(gè)過程中，你只能調(diào)用 free 函數(shù)一次。如果你第二次調(diào)用 free 函數(shù)，將導(dǎo)致意外行為，而且可能會破壞你的程序。
下面我們舉個(gè)簡單的例子：
- #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(yùn)行此程序會導(dǎo)致第二次調(diào)用 free 函數(shù)時(shí)出現(xiàn) core dump 錯(cuò)誤：
- malloc an array ...
- malloc succeeded
- Free the array...
- Free the array...
- free(): double free detected in tcache 2
- Aborted (core dumped)
那么怎么避免多次調(diào)用 free 函數(shù)呢？一個(gè)最簡單的方法就是將 malloc 和 free 語句放在一個(gè)函數(shù)里。
如果你將 malloc 放在一個(gè)函數(shù)里，而將 free 放在另一個(gè)函數(shù)里，那么，在使用的過程中，如果邏輯設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，都有可能出現(xiàn) free 被調(diào)用多次的情況。
5. 使用無效的文件指針
文件是操作系統(tǒng)里一種非常常見的數(shù)據(jù)存儲方式。例如，您可以將程序的配置信息存儲在名為 config.dat 文件里，程序運(yùn)行時(shí)，就可以調(diào)用這個(gè)文件，讀取配置信息。
因此，從文件中讀取數(shù)據(jù)的能力對所有程序員都很重要。但是，如果你要讀取的文件不存在怎么辦？
在 C 語言中，要讀取文件一般是先使用 fopen 函數(shù)打開文件，然后該函數(shù)返回指向文件的流指針。
如果您要讀取的文件不存在或您的程序無法讀取，則 fopen 函數(shù)將返回 NULL 。在這種情況下，我們?nèi)匀粚ζ溥M(jìn)行操作，會發(fā)生什么情況？我們一起來看下：
- #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(dāng)你運(yùn)行這個(gè)程序時(shí)，如果 FILE.TXT 這個(gè)文件不存在，那么 pfile 將返回 NULL。在這種情況下我們還對 pfile 進(jìn)行寫操作的話，會立刻導(dǎo)致 core dump ：
- Open the FILE.TXT file ...
- Now display the contents of FILE.TXT ...
- Segmentation fault (core dumped)
所以，我們要始終檢查文件指針是否有效。例如，在調(diào)用 fopen 函數(shù)打開文件后，使用 if (pfile != NULL) 以確保指針是可以使用的。
小結(jié)
再有經(jīng)驗(yàn)的程序員都有可能犯錯(cuò)誤，所以寫代碼的時(shí)候我們要嚴(yán)謹(jǐn)再嚴(yán)謹(jǐn)。但是，如果你養(yǎng)成一些良好的習(xí)慣，并添加一些額外的代碼來檢查這五種類型的錯(cuò)誤，則可以避免嚴(yán)重的 C 編程錯(cuò)誤。
