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野指針問題

 香山早秋 2011-07-16

野指針,也就是指向不可用內(nèi)存區(qū)域的指針。通常對這種指針進(jìn)行操作的話,將會使程序發(fā)生不可預(yù)知的錯誤。 
    “野指針”不是NULL指針,是指向“垃圾”內(nèi)存的指針。人們一般不會錯用NULL指針,因為用if語句很容易判斷。但是“野指針”是很危險的,if語句對它不起作用。野指針的成因主要有兩種: 
    (1)、指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創(chuàng)建時不會自動成為NULL指針,它的缺省值是隨機(jī)的,它會亂指一氣。所以,指針變量在創(chuàng)建的同時應(yīng)當(dāng)被初始化,要么將指針設(shè)置為NULL,要么讓它指向合法的內(nèi)存。 
    (2)、指針p被free或者delete之后,沒有置為NULL,讓人誤以為p是個合法的指針。別看free和delete的名字惡狠狠的(尤其是delete),它們只是把指針?biāo)傅膬?nèi)存給釋放掉,但并沒有把指針本身干掉。通常會用語句if (p != NULL)進(jìn)行防錯處理。很遺憾,此時if語句起不到防錯作用,因為即便p不是NULL指針,它也不指向合法的內(nèi)存塊。例: 
char *p = (char *) malloc(100); 
strcpy(p, “hello”); 
free(p); // p 所指的內(nèi)存被釋放,但是p所指的地址仍然不變 
if(p != NULL) // 沒有起到防錯作用 
strcpy(p, “world”); // 出錯 
    另外一個要注意的問題:不要返回指向棧內(nèi)存的指針或引用,因為棧內(nèi)存在函數(shù)結(jié)束時會被釋放。

    首先請諸位看以下一段“危險”的C++代碼: 
void function( void ) 
{
char* str = new char[100];
delete[] str;
// Do something
strcpy( str, "Dangerous!!" );
}
    之所以說其危險,是因為這是一段完全合乎語法的代碼,編譯的時候完美得一點錯誤也不會有,然而當(dāng)運(yùn)行到strcpy一句的時候,問題就會出現(xiàn),因為在這之前,str的空間已經(jīng)被delete掉了,所以strcpy當(dāng)然不會成功。對于這種類似的情況,在林銳博士的書中有過介紹,稱其為“野指針”。 
    那么,諸位有沒有見過安全的“野指針”呢?下面請看我的一段C++程序,靈感來自CSDN上的一次討論。在此,我只需要C++的“類”,C++的其余一概不需要,因此我沒有使用任何的C++標(biāo)準(zhǔn)庫,連輸出都是用printf完成的。 
#include <stdio.h> 
class CTestClass 
{
public:
CTestClass( void );
int m_nInteger;
void Function( void );
};
CTestClass::CTestClass( void ) 
{
m_nInteger = 0;
}
void CTestClass::Function( void ) 
{
printf( "This is a test function.\n" );
}
void main( void ) 
{
CTestClass* p = new CTestClass;
delete p;
p->Function();
}
   OK,程序到此為止,諸位可以編譯運(yùn)行一下看看結(jié)果如何。你也許會驚異地發(fā)現(xiàn):沒有任何的出錯信息,屏幕上竟然乖乖地出現(xiàn)了這么一行字符串: 
This is a test function. 
    奇怪嗎?不要急,還有更奇怪的呢,你可以把主函數(shù)中加上一句更不可理喻的: 
((CTestClass*)NULL)->Function(); 
    這仍然沒有問題??! 
    我這還有呢,哈哈?,F(xiàn)在你在主函數(shù)中這么寫,倘說上一句不可理喻,那么以下可以叫做無法無天了: 
int i = 888; 
CTestClass* p2 = (CTestClass*)&i;
p2->Function();
    你看到了什么?是的,“This is a test function.”如約而至,沒有任何的錯誤。 
    你也許要問為什么,但是在我解答你之前,請你在主函數(shù)中加入如下代碼: 
printf( "%d, %d", sizeof( CTestClass ), sizeof( int ) ); 
    這時你就會看到真相了:輸出結(jié)果是——得到的兩個十進(jìn)制數(shù)相等。對,由sizeof得到的CTestClass的大小其實就是它的成員m_nInteger的大小。亦即是說,對于CTestClass的一個實例化的對象(設(shè)為a)而言,只有a.m_nInteger是屬于a這個對象的,而a.Function()卻是屬于CTestClass這個類的。所以以上看似危險的操作其實都是可行且無誤的。
    現(xiàn)在你明白為什么我的“野指針”是安全的了,那么以下我所列出的,就是在什么情況下,我的“野指針”不安全: 
    (1)在成員函數(shù)Function中對成員變量m_nInteger進(jìn)行操作; 
    (2)將成員函數(shù)Function聲明為虛函數(shù)(virtual)。 
    以上的兩種情況,目的就是強(qiáng)迫野指針使用屬于自己的東西導(dǎo)致不安全,比如第一種情況中操作本身的m_nInteger,第二種情況中變?yōu)樘摵瘮?shù)的Function成為了屬于對象的函數(shù)(這一點可以從sizeof看出來)。 
    其實,安全的野指針在實際的程序設(shè)計中是幾乎毫無用處的。我寫這一篇文章,意圖并不是像孔乙己一樣去琢磨回字有幾種寫法,而是想通過這個小例子向諸位寫明白C++的對象實例化本質(zhì),希望大家不但要明白what和how,更要明白why。李馬二零零三年二月二十日作于自宅。 
    關(guān)于成員函數(shù)CTestClass::Function的補(bǔ)充說明 :
    (1)這個函數(shù)是一個普通的成員函數(shù),它在編譯器的處理下,會成為類似如下的代碼: 
void Function( const CTestClass * this ) // ① 
{
printf("This is a test function.\n");
}
    那么p->Function();一句將被編譯器解釋為: 
Function( p ); 
    這就是說,普通的成員函數(shù)必須經(jīng)由一個對象來調(diào)用(經(jīng)由this指針激活②)。那么由上例的delete之后,p指針將會指向一個無效的地址,然而p本身是一個有效的變量,因此編譯能夠通過。并且在編譯通過之后,由于CTestClass::Function的函數(shù)體內(nèi)并未對這個傳入的this指針進(jìn)行任何的操作,所以在這里,“野指針”便成了一個看似安全的東西。
    然而若這樣改寫CTestClass::Function: 
void CTestClass::Function( void ) 
{
m_nInteger = 0;
}
    那么它將會被編譯器解釋為: 
void Function( const CTestClass * this ) 
{
this->m_nInteger = 0;
}
    你看到了,在p->Function();的時候,系統(tǒng)將會嘗試在傳入的這個無效地址中尋找m_nInteger成員并將其賦值為0,剩下的我不用說了——非法操作出現(xiàn)了。 
    至于virtual虛函數(shù),如果在類定義之中將CTestClass聲明為虛函數(shù): 
class CTestClass 
{
public:
// ...
virtual void Function( void );
};
    那么C++在構(gòu)建CTestClass類的對象模型時,將會為之分配一個虛函數(shù)表vptr(可以從sizeof看出來)。vptr是一個指針,它指向一個函數(shù)指針的數(shù)組,數(shù)組中的成員即是在CTestClass中聲明的所有虛函數(shù)。在調(diào)用虛函數(shù)的時候,必須經(jīng)由這個vptr,這也就是為什么虛函數(shù)較之普通成員函數(shù)要消耗一些成本的緣故。以本例而言,p->Function();一句將被編譯器解釋為: 
(*p->vptr[1])( p ); // 調(diào)用vptr表中索引號為1的函數(shù)(即Function)③ 
    上面的代碼已經(jīng)說明了,如果p指向一個無效的地址,那么必然會有非法操作。 
備注: 
①關(guān)于函數(shù)的命名,我采用了原名而沒有變化。事實上編譯器為了避免函數(shù)重載造成的重名情況,會對函數(shù)的名字進(jìn)行處理,使之成為獨一無二的名稱。 
②將成員函數(shù)聲明為static,可以使成員函數(shù)不經(jīng)由this指針便可調(diào)用。
③vptr表中,索引號0為類的type_info。

討論三:

先上代碼,傳說中的騰訊筆試題:
#include 'stdafx.h'  
#include <iostream>
#include <string>
using std::cout;
using std::endl;
class Test
{
public:
Test()
{
a = 9;
delete this;
}
~Test()
{
cout<<'destructor called!'<<endl;
}
int a;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
Test *mytest = new Test(); //mytest的值和this指針的值是一樣一樣的
cout<<mytest->a<<endl;
return 0;
}
請問運(yùn)行結(jié)果如何?
    常見的回答,程序會報錯,通不過編譯?;蛘哒f編譯通過,運(yùn)行時報錯,因為居然Test類的構(gòu)造函數(shù)刪除了this指針,相當(dāng)于調(diào)用了Test類的析構(gòu)函數(shù),對象不再存在,所以訪問成員變量a的時候出錯。
    實際的結(jié)果是,程序可以通過編譯,運(yùn)行時不報錯,只不過打印出a的值不是9,而是內(nèi)存中一個隨機(jī)垃圾值。
    如果想讓程序運(yùn)行時出錯,可以這樣寫main函數(shù):
Test mytest;
cout<<mytest.a<<endl;
return 0;
    這樣mytest是局部對象,內(nèi)存在棧上分配,delete this試圖釋放棧上的內(nèi)存,因此會報錯。
    下面的代碼演示了這種情況。
int a = 6;
delete &a; //運(yùn)行時報錯
    繼續(xù)上面的討論,野指針是指在delete了一個指向動態(tài)對象的指針后,沒有及時置為NULL,如果對該指針進(jìn)行解除引用,就會產(chǎn)生垃圾值。
    一個鐵的紀(jì)律,徹底杜絕野指針(這道題沒辦法,this不能做左值,況且即使改了this,mytest也是改不了的,不再考慮范圍)delete了一個指向動態(tài)對象的指針后,及時置為NULL。相應(yīng)的,對指針進(jìn)行解除引用前,判斷指針是否為NULL。

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