C语言内存问题如何解决
大家好，我是杂烩君。
C 语言内存问题，难在于定位，定位到了就好解决了。
这篇笔记我们来聊聊踩内存。踩内存，通过字面理解即可。本来是操作这一块内存，因为设计失误操作到了相邻内存，篡改了相邻内存的数据。
踩内存，轻则导致功能异常，重则导致程序崩溃死机。
内存，粗略地分：
- 静态存储区
- 动态存储区
存储于相同存储区的变量才有互踩内存的可能。
静态存储区踩内存
分享一个之前在实际项目中遇到的问题。
在Linux中，一个进程默认可以打开的文件数为1024个，fd的范围为0~1023。
项目中使用了串口，串口fd为static全局变量，某次这个fd突然变为一个超范围得值，显然被踩了。
出问题的代码如：
float arr[5];
int count = 8;
for (size_t i = 0; i < count; i++)
{
arr[i] = xxx;
}
操作同属于静态存储区的arr数组出现了数组越界操作，踩了后面几个连续变量，fd也踩了。
实际中，纯靠log打印调试很难定位fd的相邻变量，需要花比较多的时间。
在Linux中，这个问题我们可以通过生成生成map文件来查看，在CMakeLists.txt中生成map文件的代码如：
set(CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS "-Wl,-Map=output.map") # 生成map文件
set(CMAKE_C_FLAGS "-fdata-sections") # 把static变量地址输出到map文件
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-fdata-sections")
动态存储区踩内存
动态堆内存踩内存典型例子：malloc与strcpy搭配使用不当导致缓冲区溢出。
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < unistd.h >
#include < string.h >
int main (void)
{
char *str = "hello";
int str_len = strlen(str);
///< 此时str_len = 5
printf("str_len = %d\\n", str_len);
///< 申请5字节的堆内存
char *ptr = (char*)malloc(str_len);
if (NULL == ptr)
{
printf("malloc error\\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
///< 定义一个指针p_a指向ptr向后偏移5字节的地址, 并在这个地址里写入整数20
char *p_a = ptr + 5;
*p_a = 20;
printf("*p_a = %d\\n", *p_a);
///< 拷贝字符串str到ptr指向的地址
strcpy(ptr, str);
///< 打印结果：a指向的地方被踩了
printf("ptr = %s\\n", ptr);
printf("*p_a = %d\\n", *p_a);
///< 释放对应内存
if (ptr)
{
free(ptr);
ptr = NULL;
}
return 0;
}
运行结果：
显然，经过strcpy操作之后，数据a的值被篡改了。
原因：忽略了strcpy操作会把字符串结束符一同拷贝到目的缓冲区。
如果相邻的空间里没有存放其它业务数据，那么踩了也不会出现问题，如果正好存放了重要数据，这时候可能会出现大bug，而且可能是偶现的，不好复现定位。
针对这种情况，我们可以借助一些工具来定位问题，比如：
- dmalloc
- valgrind
valgrind的简单使用可阅读往期笔记：工具 | Valgrind仿真调试工具的使用
当然，我们也可以在我们的代码里进行一些尝试。针对这类问题，分享一个检测思路：
我们在申请内存时，在申请内存的前后增加两块标识区（红区），里面写入固定数据。申请、释放内存的时候去检测这两块标识区有没有被破坏（检测操作堆内存时是否踩到高压红区）。
为了能定位到后面的标识区，在增加一块len区用来存储实际申请的空间的长度。
此处，我们定义：
- 前红区（before_ red_area）：4字节。写入固定数据0x11223344。
- 后红区（after_ red_area）：4字节。写入固定数据0x55667788。
- 长度区（len_area）：4字节。存储数据存储区的长度。
自定义申请内存函数
除了数据存储区之外，多申请12个字节。自定义申请内存的函数自然是要兼容malloc的使用方法。malloc原型：
void *malloc(size_t __size);
自定义申请内存的函数：
void *Malloc(size_t __size);
返回值自然要返回数据存储区的地址。具体实现：
#define BEFORE_RED_AREA_LEN (4) ///< 前红区长度
#define AFTER_RED_AREA_LEN (4) ///< 后红区长度
#define LEN_AREA_LEN (4) ///< 长度区长度
#define BEFORE_RED_AREA_DATA (0x11223344u) ///< 前红区数据
#define AFTER_RED_AREA_DATA (0x55667788u) ///< 后红区数据
void *Malloc(size_t __size)
{
///< 申请内存：4 + 4 + __size + 4
void *ptr = malloc(BEFORE_RED_AREA_LEN + AFTER_RED_AREA_LEN + __size + LEN_AREA_LEN);
if (NULL == ptr)
{
printf("[%s]malloc error\\n", __FUNCTION__);
return NULL;
}
///< 往前红区地址写入固定值
*((unsigned int*)(ptr)) = BEFORE_RED_AREA_DATA;
///< 往长度区地址写入长度
*((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN)) = __size;
///< 往后红区地址写入固定值
*((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) = AFTER_RED_AREA_DATA;
///< 返回数据区地址
void *data_area_ptr = (ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN);
return data_area_ptr;
}
自定义检测内存函数
申请完内存并往内存里写入数据后，检测本该写入到数据存储区的数据有没有写到红区。这种内存检测方法我们是用在开发调试阶段的，所以检测内存，我们可以使用断言，一旦触发断言，直接终止程序报错。
检测前后红区里的数据有没有被踩：
void CheckMem(void *ptr, size_t __size)
{
void *data_area_ptr = ptr;
///< 检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)));
assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);
///< 检测是否踩了长度区
printf("[%s]len_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)));
assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)) == __size);
///< 检测是否踩了后红区
printf("[%s]after_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)));
assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA);
}
自定义释放内存函数
要释放所有前面申请内存。释放前同样要进行检测：
void Free(void *ptr)
{
void *all_area_ptr = ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN;
///< 检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(all_area_ptr)));
assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);
///< 读取长度区内容
size_t __size = *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN));
///< 检测是否踩了后红区
printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)));
assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA);
///< 释放所有区域内存
free(all_area_ptr);
}
我们使用这种方法检测上面的 malloc与strcpy搭配使用不当导致缓冲区溢出 的例子：
可以看到，这个例子踩了后红区，把后红区数据修改为了 0x55667700 ，触发断言程序终止。
测试代码：
// 公众号：嵌入式大杂烩
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < unistd.h >
#include < string.h >
#include < assert.h >
#define BEFORE_RED_AREA_LEN (4) ///< 前红区长度
#define AFTER_RED_AREA_LEN (4) ///< 后红区长度
#define LEN_AREA_LEN (4) ///< 长度区长度
#define BEFORE_RED_AREA_DATA (0x11223344u) ///< 前红区数据
#define AFTER_RED_AREA_DATA (0x55667788u) ///< 后红区数据
void *Malloc(size_t __size)
{
///< 申请内存：4 + 4 + __size + 4
void *ptr = malloc(BEFORE_RED_AREA_LEN + AFTER_RED_AREA_LEN + __size + LEN_AREA_LEN);
if (NULL == ptr)
{
printf("[%s]malloc error\\n", __FUNCTION__);
return NULL;
}
///< 往前红区地址写入固定值
*((unsigned int*)(ptr)) = BEFORE_RED_AREA_DATA;
///< 往长度区地址写入长度
*((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN)) = __size;
///< 往后红区地址写入固定值
*((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) = AFTER_RED_AREA_DATA;
///< 返回数据区地址
void *data_area_ptr = (ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN);
return data_area_ptr;
}
void CheckMem(void *ptr, size_t __size)
{
void *data_area_ptr = ptr;
///< 检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)));
assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);
///< 检测是否踩了长度区
printf("[%s]len_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)));
assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)) == __size);
///< 检测是否踩了后红区
printf("[%s]after_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)));
assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA);
}
void Free(void *ptr)
{
void *all_area_ptr = ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN;
///< 检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(all_area_ptr)));
assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);
///< 读取长度区内容
size_t __size = *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN));
///< 检测是否踩了后红区
printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)));
assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA);
///< 释放所有区域内存
free(all_area_ptr);
}
int main (void)
{
char *str = "hello";