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導(dǎo)讀：增強(qiáng) C 語言程序的彈性和可靠性的五種方法。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

本文字?jǐn)?shù)：8391，閱讀時(shí)長(zhǎng)大約：10分鐘

https://linux.cn/article-13894-1.html
作者：Jim Hall
譯者：unigeorge

即使是最好的程序員也無法完全避免錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤可能會(huì)引入安全漏洞、導(dǎo)致程序崩潰或產(chǎn)生意外操作，具體影響要取決于程序的運(yùn)行邏輯。

C 語言有時(shí)名聲不太好，因?yàn)樗幌窠诘木幊陶Z言（比如 Rust）那樣具有內(nèi)存安全性。但是通過額外的代碼，一些最常見和嚴(yán)重的 C 語言錯(cuò)誤是可以避免的。下文講解了可能影響應(yīng)用程序的五個(gè)錯(cuò)誤以及避免它們的方法：

1、未初始化的變量

程序啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為其分配一塊內(nèi)存以供存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這意味著程序啟動(dòng)時(shí)，變量將獲得內(nèi)存中的一個(gè)隨機(jī)值。

有些編程環(huán)境會(huì)在程序啟動(dòng)時(shí)特意將內(nèi)存“清零”，因此每個(gè)變量都得以有初始的零值。程序中的變量都以零值作為初始值，聽上去是很不錯(cuò)的。但是在 C 編程規(guī)范中，系統(tǒng)并不會(huì)初始化變量。

看一下這個(gè)使用了若干變量和兩個(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;
}

這個(gè)程序不會(huì)初始化變量，所以變量以系統(tǒng)內(nèi)存中的隨機(jī)值作為初始值。在我的 Linux 系統(tǒng)上編譯和運(yùn)行這個(gè)程序，會(huì)看到一些變量恰巧有“零”值，但其他變量并沒有：

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

很幸運(yùn)，i?和?j?變量是從零值開始的，但?k?的起始值為 32766。在?numbers?數(shù)組中，大多數(shù)元素也恰好從零值開始，只有第三個(gè)元素的初始值為 4199024。

在不同的系統(tǒng)上編譯相同的程序，可以進(jìn)一步顯示未初始化變量的危險(xiǎn)性。不要誤以為“全世界都在運(yùn)行 Linux”，你的程序很可能某天在其他平臺(tái)上運(yùn)行。例如，下面是在 FreeDOS 上運(yùn)行相同程序的結(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

永遠(yuǎn)都要記得初始化程序的變量。如果你想讓變量將以零值作為初始值，請(qǐng)額外添加代碼將零分配給該變量。預(yù)先編好這些額外的代碼，這會(huì)有助于減少日后讓人頭疼的調(diào)試過程。

2、數(shù)組越界

C 語言中，數(shù)組索引從零開始。這意味著對(duì)于長(zhǎng)度為 10 的數(shù)組，索引是從 0 到 9；長(zhǎng)度為 1000 的數(shù)組，索引則是從 0 到 999。

程序員有時(shí)會(huì)忘記這一點(diǎn)，他們從索引 1 開始引用數(shù)組，產(chǎn)生了“大小差一”(off by one)錯(cuò)誤。在長(zhǎng)度為 5 的數(shù)組中，程序員在索引“5”處使用的值，實(shí)際上并不是數(shù)組的第 5 個(gè)元素。相反，它是內(nèi)存中的一些其他值，根本與此數(shù)組無關(guān)。

這是一個(gè)數(shù)組越界的示例程序。該程序使用了一個(gè)只含有 5 個(gè)元素的數(shù)組，但卻引用了該范圍之外的數(shù)組元素：

#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;
}

可以看到，程序初始化了數(shù)組的所有值（從索引 0 到 4），然后從索引 0 開始讀取，結(jié)尾是索引 9 而不是索引 4。前五個(gè)值是正確的，再后面的值會(huì)讓你不知所以：

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

引用數(shù)組時(shí)，始終要記得追蹤數(shù)組大小。將數(shù)組大小存儲(chǔ)在變量中；不要對(duì)數(shù)組大小進(jìn)行硬編碼(hard-code)。否則，如果后期該標(biāo)識(shí)符指向另一個(gè)不同大小的數(shù)組，卻忘記更改硬編碼的數(shù)組長(zhǎng)度時(shí)，程序就可能會(huì)發(fā)生數(shù)組越界。

3、字符串溢出

字符串只是特定類型的數(shù)組。在 C 語言中，字符串是一個(gè)由?char?類型值組成的數(shù)組，其中用一個(gè)零字符表示字符串的結(jié)尾。

因此，與數(shù)組一樣，要注意避免超出字符串的范圍。有時(shí)也稱之為?字符串溢出。

使用?gets?函數(shù)讀取數(shù)據(jù)是一種很容易發(fā)生字符串溢出的行為方式。gets?函數(shù)非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗恢涝谝粋€(gè)字符串中可以存儲(chǔ)多少數(shù)據(jù)，只會(huì)機(jī)械地從用戶那里讀取數(shù)據(jù)。如果用戶輸入像?foo?這樣的短字符串，不會(huì)發(fā)生意外；但是當(dāng)用戶輸入的值超過字符串長(zhǎng)度時(shí)，后果可能是災(zāi)難性的。

下面是一個(gè)使用?gets?函數(shù)讀取城市名稱的示例程序。在這個(gè)程序中，我還添加了一些未使用的變量，來展示字符串溢出對(duì)其他數(shù)據(jù)的影響：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int
main()
{
  char name[10];                       /* Such as "Chicago" */
  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;
}

當(dāng)你測(cè)試類似的短城市名稱時(shí)，該程序運(yùn)行良好，例如伊利諾伊州的?Chicago?或北卡羅來納州的Raleigh：

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

威爾士的小鎮(zhèn)?Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch?有著世界上最長(zhǎng)的名字之一。這個(gè)字符串有 58 個(gè)字符，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了?name?變量中保留的 10 個(gè)字符。結(jié)果，程序?qū)⒅荡鎯?chǔ)在內(nèi)存的其他區(qū)域，覆蓋了?var1?和?var2?的值：

var1 = 1; var2 = 2
Where do you live?
Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch
<Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch> is length 58
var1 = 2036821625; var2 = 2003266668
Ok
Segmentation fault (core dumped)

在運(yùn)行結(jié)束之前，程序會(huì)用長(zhǎng)字符串覆蓋內(nèi)存的其他部分區(qū)域。注意，var1?和?var2?的值不再是起始的?1?和?2。

避免使用?gets?函數(shù)，改用更安全的方法來讀取用戶數(shù)據(jù)。例如，getline?函數(shù)會(huì)分配足夠的內(nèi)存來存儲(chǔ)用戶輸入，因此不會(huì)因輸入長(zhǎng)值而發(fā)生意外的字符串溢出。

4、重復(fù)釋放內(nèi)存

“分配的內(nèi)存要手動(dòng)釋放”是良好的 C 語言編程原則之一。程序可以使用?malloc?函數(shù)為數(shù)組和字符串分配內(nèi)存，該函數(shù)會(huì)開辟一塊內(nèi)存，并返回一個(gè)指向內(nèi)存中起始地址的指針。之后，程序可以使用?free?函數(shù)釋放內(nèi)存，該函數(shù)會(huì)使用指針將內(nèi)存標(biāo)記為未使用。

但是，你應(yīng)該只使用一次?free?函數(shù)。第二次調(diào)用?free?會(huì)導(dǎo)致意外的后果，可能會(huì)毀掉你的程序。下面是一個(gè)針對(duì)此點(diǎn)的簡(jiǎn)短示例程序。程序分配了內(nèi)存，然后立即釋放了它。但為了模仿一個(gè)健忘但有條理的程序員，我在程序結(jié)束時(shí)又一次釋放了內(nèi)存，導(dǎo)致兩次釋放了相同的內(nèi)存：

#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)行這個(gè)程序會(huì)導(dǎo)致第二次使用?free?函數(shù)時(shí)出現(xiàn)戲劇性的失敗：

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

要記得避免在數(shù)組或字符串上多次調(diào)用?free。將?malloc?和?free?函數(shù)定位在同一個(gè)函數(shù)中，這是避免重復(fù)釋放內(nèi)存的一種方法。

例如，一個(gè)紙牌游戲程序可能會(huì)在主函數(shù)中為一副牌分配內(nèi)存，然后在其他函數(shù)中使用這副牌來玩游戲。記得在主函數(shù)，而不是其他函數(shù)中釋放內(nèi)存。將?malloc?和?free?語句放在一起有助于避免多次釋放內(nèi)存。

5、使用無效的文件指針

文件是一種便捷的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。例如，你可以將程序的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在?config.dat?文件中。Bash shell 會(huì)從用戶家目錄中的?.bash_profile?讀取初始化腳本。GNU Emacs 編輯器會(huì)尋找文件?.emacs?以從中確定起始值。而 Zoom 會(huì)議客戶端使用?zoomus.conf?文件讀取其程序配置。

所以，從文件中讀取數(shù)據(jù)的能力幾乎對(duì)所有程序都很重要。但是假如要讀取的文件不存在，會(huì)發(fā)生什么呢？

在 C 語言中讀取文件，首先要用?fopen?函數(shù)打開文件，該函數(shù)會(huì)返回指向文件的流指針。你可以結(jié)合其他函數(shù)，使用這個(gè)指針來讀取數(shù)據(jù)，例如?fgetc?會(huì)逐個(gè)字符地讀取文件。

如果要讀取的文件不存在或程序沒有讀取權(quán)限，fopen?函數(shù)會(huì)返回?NULL?作為文件指針，這表示文件指針無效。但是這里有一個(gè)示例程序，它機(jī)械地直接去讀取文件，不檢查?fopen?是否返回了?NULL：

#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)，第一次調(diào)用?fgetc?會(huì)失敗，程序會(huì)立即中止：

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

始終檢查文件指針以確保其有效。例如，在調(diào)用?fopen?打開一個(gè)文件后，用類似?if (pfile != NULL)?的語句檢查指針，以確保指針是可以使用的。

人都會(huì)犯錯(cuò)，最優(yōu)秀的程序員也會(huì)產(chǎn)生編程錯(cuò)誤。但是，遵循上面這些準(zhǔn)則，添加一些額外的代碼來檢查這五種類型的錯(cuò)誤，就可以避免最嚴(yán)重的 C 語言編程錯(cuò)誤。提前編寫幾行代碼來捕獲這些錯(cuò)誤，可能會(huì)幫你節(jié)省數(shù)小時(shí)的調(diào)試時(shí)間。

via:?https://opensource.com/article/21/10/programming-bugs

作者：Jim Hall?選題：lujun9972?譯者：unigeorge?校對(duì)：wxy

本文由?LCTT?原創(chuàng)編譯

C 語言編程中的 5 個(gè)常見錯(cuò)誤及對(duì)應(yīng)解決方案