人人都写过的5个Bug！

2021-10-28 00:00:00 函数程序字符串数组内存

大家好，我是良许。

计算机专业的小伙伴，在学校期间一定学过 C 语言。它是众多语言的鼻祖，深入学习这门语言会对计算机原理、操作系统、内存管理等等底层相关的知识会有更深入的了解，所以我在直播的时候，多次强调大家一定要好好学习这门语言。

但是，即使是有经验的程序员也会写出各种各样的 Bug。本文就盘点一下学习或使用 C 语言过程中，非常容易出现的 5 个 Bug，以及如何规避这些 Bug。

这篇文章主要面向初学者，老鸟可以忽略哈（其实不少老鸟依然还会犯这些低级错误哦）~

1. 变量未初始化

当程序启动时，系统会给它自动分配一块内存，程序可以用它来存储数据。所以如果你在定义一个变量时，在未初始化的情况下，它的值有可能是任意的。

但这也不是的，有些环境就会在程序启动时自动将内存「清零」，因此每个变量默认值都是零。考虑到可移植性，好要将变量进行初始化，这是一名合格软件工程师应该养成的好习惯。

我们来看下下面这个使用几个变量和两个数组的示例程序：

#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;
}

这段程序没有对变量进行初始化，所以变量的值有可能是随机的，不一定是零。在我的电脑上它的运行结果如下：

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

从结果可以看出，i 和 j 的值刚好是 0，但 k 值为 32766。在 numbers 数组中，大多数元素也恰好是零，除了第三个（4199024）。

在不同的操作系统上编译这段相同的程序，运行的结果有可能又是不一样的。所以千万不要觉得你的结果就是正确的，一定要考虑可移植性。

例如，这是在 FreeDOS 上运行的相同程序的结果：

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

可以看出来，运行的结果跟上面几乎是天差地别。所以，对变量进行初始化将为你省去很多不必要的麻烦，也便于将来的调试。

2. 数组越界

在计算机世界里，都是从 0 开始计数，但总有人有意无意忘记这点。比如一个数组长度为 10 ，想要获取后一个元素的值，总有人用 array[10] ……

别问，问就是我写过……

新手朋友犯这种低级错误特别多。我们来看下数组越界会发生什么。

#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;
}

请注意，程序初始化了数组 numbers 所有元素的值（0~4），但是越界读取了第 0~9 元素的值。可以看出来，前五个值是正确的，但之后鬼都不知道这些值会是什么：

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

所以大家在写代码过程中，一定要知道数组的边界。像这种数据读取的还好，如果一旦对这些内存进行写操作，直接就 core dump ！

3. 字符串溢出

在 C 编程语言中，字符串是一组 char 值，也可以将其视为数组。因此，你也需要避免超出字符串的范围。如果超出，则称为字符串溢出。

为了测试字符串溢出，一种简单方法是使用 gets 函数读取数据。gets 函数非常危险，因为它不知道接收它的字符串中可以存储多少数据，只会天真地从用户那里读取数据。

如果用户输入字符串比较短那很好，但如果用户输入的值超过接收字符串的长度，则可能是灾难性的。

下面我们来演示一下这个现象：

#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;
}

在这段代码里，接收数组的长度为 10 ，所以当输入数据长度小于 10 的话，程序运行就没问题。

例如，输入城市 Beijing ，长度为 7 ：

var1 = 1; var2 = 2
Where do you live?
Beijing
<Beijing> is length 7
var1 = 1; var2 = 2
Ok

威尔士小镇 Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch 是世界上名字长的城市，这个字符串有 58 个字符，远远超出了 name 变量中可保留的 10 个字符。

如果输入这个字符串，其结果是程序运行内存的其它位置，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，程序使用长字符串覆盖内存的其他部分。请注意，var1 和 var2 不再是它们的起始值 1 和 2 。

所以我们需要使用更安全的方法来读取用户数据。例如，getline 函数就是一个不错的选择，它将分配足够大的内存来存储用户输入，因此用户不会因输入太长字符串而意外溢出。

4. 内存重复释放

良好的 C 编程规则之一是，如果分配了内存，就一定要将其释放。

我们可以使用 malloc 函数为数组和字符串申请内存，系统将开辟一块内存并返回一个指向该内存起始地址的指针。内存使用完毕后，我们一定要记得使用 free 函数释放内存，然后系统将该内存标记为未使用。

但是，这个过程中，你只能调用 free 函数一次。如果你第二次调用 free 函数，将导致意外行为，而且可能会破坏你的程序。

下面我们举个简单的例子：

#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");
}

运行此程序会导致第二次调用 free 函数时出现 core dump 错误：

malloc an array ...
malloc succeeded
Free the array...
Free the array...
free(): double free detected in tcache 2
Aborted (core dumped)

那么怎么避免多次调用 free 函数呢？一个简单的方法就是将 malloc 和 free 语句放在一个函数里。

如果你将 malloc 放在一个函数里，而将 free 放在另一个函数里，那么，在使用的过程中，如果逻辑设计不恰当，都有可能出现 free 被调用多次的情况。

5. 使用的文件指针

文件是操作系统里一种非常常见的数据存储方式。例如，您可以将程序的配置信息存储在名为 config.dat 文件里，程序运行时，就可以调用这个文件，读取配置信息。

因此，从文件中读取数据的能力对所有程序员都很重要。但是，如果你要读取的文件不存在怎么办？

在 C 语言中，要读取文件一般是先使用 fopen 函数打开文件，然后该函数返回指向文件的流指针。

如果您要读取的文件不存在或您的程序无法读取，则 fopen 函数将返回 NULL 。在这种情况下，我们仍然对其进行操作，会发生什么情况？我们一起来看下：

#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;
}

当你运行这个程序时，如果 FILE.TXT 这个文件不存在，那么 pfile 将返回 NULL。在这种情况下我们还对 pfile 进行写操作的话，会立刻导致 core dump ：

Open the FILE.TXT file ...
Now display the contents of FILE.TXT ...
Segmentation fault (core dumped)

所以，我们要始终检查文件指针是否有效。例如，在调用 fopen 函数打开文件后，使用 if (pfile != NULL) 以确保指针是可以使用的。

小结

再有经验的程序员都有可能犯错误，所以写代码的时候我们要严谨再严谨。但是，如果你养成一些良好的习惯，并添加一些额外的代码来检查这五种类型的错误，则可以避免严重的 C 编程错误。

上面介绍的 5 种常见错误，你都写过哪些 Bug 呢？留言跟大家交流哦，看看谁是 Bug 王！

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