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大家好，我是雜燴君。

C 語(yǔ)言?xún)?nèi)存問(wèn)題，難在于定位，定位到了就好解決了。

這篇筆記我們來(lái)聊聊踩內(nèi)存。踩內(nèi)存，通過(guò)字面理解即可。本來(lái)是操作這一塊內(nèi)存，因?yàn)樵O(shè)計(jì)失誤操作到了相鄰內(nèi)存，篡改了相鄰內(nèi)存的數(shù)據(jù)。

踩內(nèi)存，輕則導(dǎo)致功能異常，重則導(dǎo)致程序崩潰死機(jī)。

內(nèi)存，粗略地分：

靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)
動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)

存儲(chǔ)于相同存儲(chǔ)區(qū)的變量才有互踩內(nèi)存的可能。

靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)踩內(nèi)存

分享一個(gè)之前在實(shí)際項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題。

在Linux中，一個(gè)進(jìn)程默認(rèn)可以打開(kāi)的文件數(shù)為1024個(gè)，fd的范圍為0~1023。

項(xiàng)目中使用了串口，串口fd為static全局變量，某次這個(gè)fd突然變?yōu)橐粋€(gè)超范圍得值，顯然被踩了。

出問(wèn)題的代碼如：

float arr[5];
int count = 8;
for (size_t i = 0; i < count; i++)
{
    arr[i] = xxx;
}

操作同屬于靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的arr數(shù)組出現(xiàn)了數(shù)組越界操作，踩了后面幾個(gè)連續(xù)變量，fd也踩了。

實(shí)際中，純靠log打印調(diào)試很難定位fd的相鄰變量，需要花比較多的時(shí)間。

在Linux中，這個(gè)問(wèn)題我們可以通過(guò)生成生成map文件來(lái)查看，在CMakeLists.txt中生成map文件的代碼如：

set(CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS "-Wl,-Map=output.map")  # 生成map文件
set(CMAKE_C_FLAGS "-fdata-sections")               # 把static變量地址輸出到map文件
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-fdata-sections")

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)踩內(nèi)存

動(dòng)態(tài)堆內(nèi)存踩內(nèi)存典型例子：malloc與strcpy搭配使用不當(dāng)導(dǎo)致緩沖區(qū)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);

    ///< 此時(shí)str_len = 5
    printf("str_len = %d\\n", str_len);

    ///< 申請(qǐng)5字節(jié)的堆內(nèi)存
    char *ptr = (char*)malloc(str_len);
    if (NULL == ptr)
    {
        printf("malloc error\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 定義一個(gè)指針p_a指向ptr向后偏移5字節(jié)的地址, 并在這個(gè)地址里寫(xiě)入整數(shù)20
    char *p_a = ptr + 5;
    *p_a = 20;
    printf("*p_a = %d\\n", *p_a);

    ///< 拷貝字符串str到ptr指向的地址
    strcpy(ptr, str);

    ///< 打印結(jié)果：a指向的地方被踩了
    printf("ptr = %s\\n", ptr);
    printf("*p_a = %d\\n", *p_a);

    ///< 釋放對(duì)應(yīng)內(nèi)存
    if (ptr)
    {
        free(ptr);
        ptr = NULL;
    }

    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

顯然，經(jīng)過(guò)strcpy操作之后，數(shù)據(jù)a的值被篡改了。

原因：忽略了strcpy操作會(huì)把字符串結(jié)束符一同拷貝到目的緩沖區(qū)。

如果相鄰的空間里沒(méi)有存放其它業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，那么踩了也不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，如果正好存放了重要數(shù)據(jù)，這時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)大bug，而且可能是偶現(xiàn)的，不好復(fù)現(xiàn)定位。

針對(duì)這種情況，我們可以借助一些工具來(lái)定位問(wèn)題，比如：

dmalloc
valgrind

valgrind的簡(jiǎn)單使用可閱讀往期筆記：工具 | Valgrind仿真調(diào)試工具的使用

當(dāng)然，我們也可以在我們的代碼里進(jìn)行一些嘗試。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，分享一個(gè)檢測(cè)思路：

我們?cè)谏暾?qǐng)內(nèi)存時(shí)，在申請(qǐng)內(nèi)存的前后增加兩塊標(biāo)識(shí)區(qū)（紅區(qū)），里面寫(xiě)入固定數(shù)據(jù)。申請(qǐng)、釋放內(nèi)存的時(shí)候去檢測(cè)這兩塊標(biāo)識(shí)區(qū)有沒(méi)有被破壞（檢測(cè)操作堆內(nèi)存時(shí)是否踩到高壓紅區(qū)）。

為了能定位到后面的標(biāo)識(shí)區(qū)，在增加一塊len區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)實(shí)際申請(qǐng)的空間的長(zhǎng)度。

此處，我們定義：

前紅區(qū)（before_ red_area）：4字節(jié)。寫(xiě)入固定數(shù)據(jù)0x11223344。
后紅區(qū)（after_ red_area）：4字節(jié)。寫(xiě)入固定數(shù)據(jù)0x55667788。
長(zhǎng)度區(qū)（len_area）：4字節(jié)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的長(zhǎng)度。

自定義申請(qǐng)內(nèi)存函數(shù)

除了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)之外，多申請(qǐng)12個(gè)字節(jié)。自定義申請(qǐng)內(nèi)存的函數(shù)自然是要兼容malloc的使用方法。malloc原型：

void *malloc(size_t __size);

自定義申請(qǐng)內(nèi)存的函數(shù)：

void *Malloc(size_t __size);

返回值自然要返回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的地址。具體實(shí)現(xiàn)：

#define BEFORE_RED_AREA_LEN  (4)            ///< 前紅區(qū)長(zhǎng)度
#define AFTER_RED_AREA_LEN   (4)            ///< 后紅區(qū)長(zhǎng)度
#define LEN_AREA_LEN         (4)            ///< 長(zhǎng)度區(qū)長(zhǎng)度

#define BEFORE_RED_AREA_DATA (0x11223344u)  ///< 前紅區(qū)數(shù)據(jù)
#define AFTER_RED_AREA_DATA  (0x55667788u)  ///< 后紅區(qū)數(shù)據(jù)

void *Malloc(size_t __size)
{
    ///< 申請(qǐng)內(nèi)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;
    }

    ///< 往前紅區(qū)地址寫(xiě)入固定值
    *((unsigned int*)(ptr)) = BEFORE_RED_AREA_DATA;     

    ///< 往長(zhǎng)度區(qū)地址寫(xiě)入長(zhǎng)度     
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN)) = __size;  

    ///< 往后紅區(qū)地址寫(xiě)入固定值
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) = AFTER_RED_AREA_DATA;  

    ///< 返回?cái)?shù)據(jù)區(qū)地址
    void *data_area_ptr = (ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN);
    return data_area_ptr;
}

自定義檢測(cè)內(nèi)存函數(shù)

申請(qǐng)完內(nèi)存并往內(nèi)存里寫(xiě)入數(shù)據(jù)后，檢測(cè)本該寫(xiě)入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)有沒(méi)有寫(xiě)到紅區(qū)。這種內(nèi)存檢測(cè)方法我們是用在開(kāi)發(fā)調(diào)試階段的，所以檢測(cè)內(nèi)存，我們可以使用斷言，一旦觸發(fā)斷言，直接終止程序報(bào)錯(cuò)。

檢測(cè)前后紅區(qū)里的數(shù)據(jù)有沒(méi)有被踩：

void CheckMem(void *ptr, size_t __size)
{
    void *data_area_ptr = ptr;

    ///< 檢測(cè)是否踩了前紅區(qū)
    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);

    ///< 檢測(cè)是否踩了長(zhǎng)度區(qū)
    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); 

    ///< 檢測(cè)是否踩了后紅區(qū)
    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); 
}

自定義釋放內(nèi)存函數(shù)

要釋放所有前面申請(qǐng)內(nèi)存。釋放前同樣要進(jìn)行檢測(cè)：

void Free(void *ptr)
{
    void *all_area_ptr = ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN;

    ///< 檢測(cè)是否踩了前紅區(qū)
    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);

    ///< 讀取長(zhǎng)度區(qū)內(nèi)容
    size_t __size = *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN));

    ///< 檢測(cè)是否踩了后紅區(qū)
    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);

    ///< 釋放所有區(qū)域內(nèi)存
    free(all_area_ptr);
}

我們使用這種方法檢測(cè)上面的 malloc與strcpy搭配使用不當(dāng)導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出 的例子：

可以看到，這個(gè)例子踩了后紅區(qū)，把后紅區(qū)數(shù)據(jù)修改為了 0x55667700 ，觸發(fā)斷言程序終止。

測(cè)試代碼：

// 公眾號(hào)：嵌入式大雜燴
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < unistd.h >
#include < string.h >
#include < assert.h >

#define BEFORE_RED_AREA_LEN  (4)            ///< 前紅區(qū)長(zhǎng)度
#define AFTER_RED_AREA_LEN   (4)            ///< 后紅區(qū)長(zhǎng)度
#define LEN_AREA_LEN         (4)            ///< 長(zhǎng)度區(qū)長(zhǎng)度

#define BEFORE_RED_AREA_DATA (0x11223344u)  ///< 前紅區(qū)數(shù)據(jù)
#define AFTER_RED_AREA_DATA  (0x55667788u)  ///< 后紅區(qū)數(shù)據(jù)

void *Malloc(size_t __size)
{
    ///< 申請(qǐng)內(nèi)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;
    }

    ///< 往前紅區(qū)地址寫(xiě)入固定值
    *((unsigned int*)(ptr)) = BEFORE_RED_AREA_DATA;     

    ///< 往長(zhǎng)度區(qū)地址寫(xiě)入長(zhǎng)度     
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN)) = __size;  

    ///< 往后紅區(qū)地址寫(xiě)入固定值
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) = AFTER_RED_AREA_DATA;  

    ///< 返回?cái)?shù)據(jù)區(qū)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;

    ///< 檢測(cè)是否踩了前紅區(qū)
    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);

    ///< 檢測(cè)是否踩了長(zhǎng)度區(qū)
    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); 

    ///< 檢測(cè)是否踩了后紅區(qū)
    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;

    ///< 檢測(cè)是否踩了前紅區(qū)
    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);

    ///< 讀取長(zhǎng)度區(qū)內(nèi)容
    size_t __size = *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN));

    ///< 檢測(cè)是否踩了后紅區(qū)
    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);

    ///< 釋放所有區(qū)域內(nèi)存
    free(all_area_ptr);
}

int main (void)
{
    char *str = "hello";
    int str_len = strlen(str);

    ///< 此時(shí)str_len = 5
    printf("str_len = %d\\n", str_len);

    ///< 申請(qǐng)5字節(jié)的堆內(nèi)存
    char *ptr = (char*)Malloc(str_len);    ///< 自定義的Malloc
    if (NULL == ptr)
    {
        printf("malloc error\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 定義一個(gè)指針p_a指向ptr向后偏移5字節(jié)的地址, 并在這個(gè)地址里寫(xiě)入整數(shù)20
    char *p_a = ptr + 5;
    *p_a = 20;
    printf("*p_a = %d\\n", *p_a);

    ///< 拷貝字符串str到ptr指向的地址
    strcpy(ptr, str);

    ///< 操作完堆內(nèi)存之后，要檢測(cè)寫(xiě)入操作有沒(méi)有踩到紅區(qū)
    CheckMem(ptr, str_len);

    ///< 打印結(jié)果：a指向的地方被踩了
    printf("ptr = %s\\n", ptr);
    printf("*p_a = %d\\n", *p_a);

    ///< 釋放對(duì)應(yīng)內(nèi)存
    if (ptr)
    {
        Free(ptr);
        ptr = NULL;
    }

    return 0;
}

沒(méi)有踩內(nèi)存的情況：

本例只是簡(jiǎn)單分享了檢測(cè)堆內(nèi)存踩數(shù)據(jù)的一種檢測(cè)思路，例子代碼不具備通用性。比如，萬(wàn)一踩的內(nèi)存不只是相鄰的幾個(gè)字節(jié)，而是踩了相鄰的一大片，這時(shí)候就跨過(guò)了紅區(qū)，而不是踩在紅區(qū)上。

紅區(qū)大小由我們自己設(shè)定，我們可以設(shè)得大些。如果設(shè)得很大了都能跨過(guò)，這種情況bug應(yīng)該就比較好復(fù)現(xiàn)也比較好定位?？创a應(yīng)該就比較容易定位了，比較難定位的往往是那種踩了一小塊的。

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