C迷途指针详解

2024-04-18 16:53:56

本文较为详尽的讲述了C语言的迷途指针，分析了其概念、原理与检测方法。分享给大家供大家参考。具体如下：

一般来说，在计算机编程领域中，迷途指针，或称悬空指针、野指针，指的是不指向任何合法的对象的指针。

当所指向的对象被释放或者收回，但是对该指针没有作任何的修改，以至于该指针仍旧指向已经回收的内存地址，此情况下该指针便称迷途指针。若操作系统将这部分已经释放的内存重新分配给另外一个进程，而原来的程序重新引用现在的迷途指针，则将产生无法预料的后果。因为此时迷途指针所指向的内存现在包含的已经完全是不同的数据。通常来说，若原来的程序继续往迷途指针所指向的内存地址写入数据，这些和原来程序不相关的数据将被损坏，进而导致不可预料的程序错误。这种类型的程序错误，不容易找到问题的原因，通常会导致段错误(Linux系统中)和一般保护错误（Windows系统中）。如果操作系统的内存分配器将已经被覆盖的数据区域再分配，就可能会影响系统的稳定性。

某些编程语言允许未初始化的指针的存在，而这类指针即为野指针。野指针所导致的错误和迷途指针非常相似，但野指针的问题更容易被发现。

迷途指针的成因

在很多编程语言中（如C语言）从内存中删除一个对象或者返回时删除栈帧后，并不会改变相关的指针的值。该指针仍然指向原来的内存地址，即使引用已经删除，现在也可能已经被其它进程使用了。

一个直接的例子，如下所示:

{
  char *cp = NULL;
  /* ... */
  {
    char c;
    cp = &c;
  } /* c falls out of scope */
   /* cp is now a dangling pointer */
}

上述问题的解决方法是在该部分程序退出之前立即给CP赋0值(NULL)。另一个办法是保证CP在没有初始化之前，将不再被使用。

迷途指针经常出现在混杂使用malloc() 和 free() 库调用: 当指针指向的内存释放了，这时该指针就是迷途的。和前面的例子一样，一个避免这个错误的方法是在释放它的引用后将该指针的值重置为NULL，如下所示：

#include <stdlib.h>
{
  char *cp = malloc ( A_CONST );
  /* ... */
  free ( cp );   /* cp 现在变成了一个悬空指针 */
  cp = NULL;    /* cp 现在不是悬空了 */
  /* ... */
}

有个常见的错误是当返回一个基于栈分配的局部变量的地址时，一旦调用的函数返回，分配给这些变量的空间将被回收，此时它们拥有的是"垃圾值"。

int * func ( void )
{
  int num = 1234;
  /* ... */
  return &num;
}

在调用func之后一段时间，尝试从该指针中读取num的值，可能仍然能够返回正确的值(1234)，但是任何接下来的函数调用会覆盖原来的栈为num分配的空间。这时，再从该指针读取num的值就不正确了。如果要使一个指向num的指针都返回正确的num值，则需要将该变量声明为static。

野指针的产生

野指针指的是还没有初始化的指针。严格地说，编程语言中每个指针在初始化前都是野指针。

一般于未初始化时便使用指针就会产生问题。大多数的编译器都能检测到这一问题并警告用户。

int f(int i)
{
  char* cp;  //cp 是野指针
  static char* scp; //scp 不是野指针，静态变量自动初始化为0并保留它们的值
//使用这种特征可能被认为坏的编程风格
}

迷途指针导致的安全漏洞

如同缓存溢出错误，迷途指针/野指针这类错误经常会导致安全漏洞。例如，如果一个指针用来调用一个虚函数，由于vtable指针被覆盖了，因此可能会访问一个不同的地址(指向被利用的代码)。或者，如果该指针用来写入内存，其它的数据结构就有可能损坏了。一旦该指针成为迷途指针，即使这段内存是只读的，仍然会导致信息的泄露(如果感兴趣的数据放在下一个数据结构里面，恰好分配在这段内存之中)或者访问权限的增加(如果现在不可使用的内存恰恰被用来安全检测).

避免迷途指针的错误

避免迷途指针，有一种受欢迎的方法——即使用智能指针（Smart pointer）。智能指针使用引用计数来回收对象。一些其它的技术包括tombstone法和locks-and-keys法。

另外，可以使用 DieHard 内存分配器，它虚拟消除了类似其它内存错误(不合法或者两次释放内存)的迷途指针错误。

还有一种办法是贝姆垃圾收集器，一种保守的垃圾回收方法，能够替代C和C++中标准内存分配函数。这种方法完全消除了迷途指针的错误，通过去除内存释放的函数代之以垃圾回收器完成对象的回收。

像Java语言，迷途指针这样的错误是不会发生的，因为Java中没有明确地重新分配内存的机制。而且垃圾回收器只会在对象的引用数为零时重新分配内存。

迷途指针的检测

为了能发现迷途指针，一种普遍的编程技术——一旦指针指向的内存空间被释放，就立即把该指针置为空指针或者为一个非法的地址。当空指针被重新引用时，此时程序将会立即停止，这将避免数据损坏或者某些无法预料的后果。这将使接下来的编程过程产生的错误变得容易发现和解决了。这种技术在该指针有多个复制时就无法起到应有的作用了。

一些调试器会自动地用特定的模式来覆盖已经释放的数据，如0xDEADBEEF (Microsoft's Visual C/C++ 调试器，例如，根据哪种类型被释放采用 0xCC，0xCD 或者 0xDD)。这种方法通过将数据无用化，来防止已经释放的数据重新被使用。这种方法的作用是非常显著的 (该模式可以帮助程序来区分哪些内存是刚刚释放的)。

某些工具，如Valgrind， Mudflap或者 LLVM可以用来检测迷途指针的使用。

总的来说，迷途指针对C程序安全性影响巨大，是C程序员必须谨慎处理的一个问题。相信本文所述对大家C程序设计有一定的借鉴价值。

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