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野指针安全论

Posted by on 2003 年 02 月 20 日

你可以任意转载本文,但请在转载后的文章中注明作者和原始链接。
媒体约稿请联系 titilima_AT_163.com(把“_AT_”换成“@”)。

首先请诸位看以下一段“危险”的C++代码:

void function( void )
{
    char* str = new char[100];
    delete[] str;
    // Do something
    strcpy( str, "Dangerous!!" );
}

之所以说其危险,是因为这是一段完全合乎语法的代码,编译的时候完美得一点错误也不会有,然而当运行到strcpy一句的时候,问题就会出现,因为在这之前,str的空间已经被delete掉了,所以strcpy当然不会成功。对于这种类似的情况,在林锐博士的书中有过介绍,称其为“野指针”。

那么,诸位有没有见过安全的“野指针”呢?下面请看我的一段C++程序,灵感来自CSDN上的一次讨论。在此,我只需要C++的“类”,C++的其余一概不需要,因此我没有使用任何的C++标准库,连输出都是用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.
" );
}

void main( void )
{
    CTestClass* p = new CTestClass;
    delete p;
    p->Function();
}

OK,程序到此为止,诸位可以编译运行一下看看结果如何。你也许会惊异地发现:没有任何的出错信息,屏幕上竟然乖乖地出现了这么一行字符串:

This is a test function.

奇怪吗?不要急,还有更奇怪的呢,你可以把主函数中加上一句更不可理喻的:

((CTestClass*)NULL)->Function();

这仍然没有问题!!

我这还有呢,哈哈。现在你在主函数中这么写,倘说上一句不可理喻,那么以下可以叫做无法无天了:

int i = 888;
CTestClass* p2 = (CTestClass*)&i;
p2->Function();

你看到了什么?是的,“This is a test function.”如约而至,没有任何的错误。

你也许要问为什么,但是在我解答你之前,请你在主函数中加入如下代码:

printf( "%d, %d", sizeof( CTestClass ), sizeofint ) );

这时你就会看到真相了:输出结果是——得到的两个十进制数相等。对,由sizeof得到的CTestClass的大小其实就是它的成员m_nInteger的大小。亦即是说,对于CTestClass的一个实例化的对象(设为a)而言,只有a.m_nInteger是属于a这个对象的,而a.Function()却是属于CTestClass这个类的。所以以上看似危险的操作其实都是可行且无误的。

现在你明白为什么我的“野指针”是安全的了,那么以下我所列出的,就是在什么情况下,我的“野指针”不安全:

  1. 在成员函数Function中对成员变量m_nInteger进行操作;
  2. 将成员函数Function声明为虚函数(virtual)。

以上的两种情况,目的就是强迫野指针使用属于自己的东西导致不安全,比如第一种情况中操作本身的m_nInteger,第二种情况中变为虚函数的Function成为了属于对象的函数(这一点可以从sizeof看出来)。

其实,安全的野指针在实际的程序设计中是几乎毫无用处的。我写这一篇文章,意图并不是像孔乙己一样去琢磨回字有几种写法,而是想通过这个小例子向诸位写明白C++的对象实例化本质,希望大家不但要明白what和how,更要明白why。李马二零零三年二月二十日作于自宅。

关于成员函数CTestClass::Function的补充说明

这个函数是一个普通的成员函数,它在编译器的处理下,会成为类似如下的代码:

void Function( const CTestClass * this ) // ①
{
    printf("This is a test function.
");
}

那么p->Function();一句将被编译器解释为:

Function( p );

这就是说,普通的成员函数必须经由一个对象来调用(经由this指针激活②)。那么由上例的delete之后,p指针将会指向一个无效的地址,然而p本身是一个有效的变量,因此编译能够通过。并且在编译通过之后,由于CTestClass::Function的函数体内并未对这个传入的this指针进行任何的操作,所以在这里,“野指针”便成了一个看似安全的东西。

然而若这样改写CTestClass::Function:

void CTestClass::Function( void )
{
    m_nInteger = 0;
}

那么它将会被编译器解释为:

void Function( const CTestClass * this )
{
    this->m_nInteger = 0;
}

你看到了,在p->Function();的时候,系统将会尝试在传入的这个无效地址中寻找m_nInteger成员并将其赋值为0,剩下的我不用说了——非法操作出现了。

至于virtual虚函数,如果在类定义之中将CTestClass声明为虚函数:

class CTestClass
{
public:
    // ...
    virtual void Function( void );
};

那么C++在构建CTestClass类的对象模型时,将会为之分配一个虚函数表vptr(可以从sizeof看出来)。vptr是一个指针,它指向一个函数指针的数组,数组中的成员即是在CTestClass中声明的所有虚函数。在调用虚函数的时候,必须经由这个vptr,这也就是为什么虚函数较之普通成员函数要消耗一些成本的缘故。以本例而言,p->Function();一句将被编译器解释为:

(*p->vptr[1])( p ); // 调用vptr表中索引号为1的函数(即Function)③

上面的代码已经说明了,如果p指向一个无效的地址,那么必然会有非法操作。

备注:

①关于函数的命名,我采用了原名而没有变化。事实上编译器为了避免函数重载造成的重名情况,会对函数的名字进行处理,使之成为独一无二的名称。
②将成员函数声明为static,可以使成员函数不经由this指针便可调用。
③vptr表中,索引号0为类的type_info。

李马 2003/8/28 于河北石家庄

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2 Comments

  • At 2007.07.08 17:14, sinper said:

    这篇基础点的文章偶还是能看懂滴。。呵呵!

    • At 2008.03.21 22:50, nobody said:

      学习了。

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