C 语言编程中的 5 个常见错误及对应解决方案

导读：增强 C 语言程序的弹性和可靠性的五种方法。

即使是最好的程序员也无法完全避免错误。这些错误可能会引入安全漏洞、导致程序崩溃或产生意外操作，具体影响要取决于程序的运行逻辑。

C 语言有时名声不太好，因为它不像近期的编程语言（比如 Rust）那样具有内存安全性。但是通过额外的代码，一些最常见和严重的 C 语言错误是可以避免的。下文讲解了可能影响应用程序的五个错误以及避免它们的方法：

1、未初始化的变量

程序启动时，系统会为其分配一块内存以供存储数据。这意味着程序启动时，变量将获得内存中的一个随机值。

有些编程环境会在程序启动时特意将内存“清零”，因此每个变量都得以有初始的零值。程序中的变量都以零值作为初始值，听上去是很不错的。但是在 C 编程规范中，系统并不会初始化变量。

看一下这个使用了若干变量和两个数组的示例程序：

#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;
}

这个程序不会初始化变量，所以变量以系统内存中的随机值作为初始值。在我的 Linux 系统上编译和运行这个程序，会看到一些变量恰巧有“零”值，但其他变量并没有：

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

很幸运，i 和 j 变量是从零值开始的，但 k 的起始值为 32766。在 numbers 数组中，大多数元素也恰好从零值开始，只有第三个元素的初始值为 4199024。

在不同的系统上编译相同的程序，可以进一步显示未初始化变量的危险性。不要误以为“全世界都在运行 Linux”，你的程序很可能某天在其他平台上运行。例如，下面是在 FreeDOS 上运行相同程序的结果：

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

永远都要记得初始化程序的变量。如果你想让变量将以零值作为初始值，请额外添加代码将零分配给该变量。预先编好这些额外的代码，这会有助于减少日后让人头疼的调试过程。

2、数组越界

C 语言中，数组索引从零开始。这意味着对于长度为 10 的数组，索引是从 0 到 9；长度为 1000 的数组，索引则是从 0 到 999。

程序员有时会忘记这一点，他们从索引 1 开始引用数组，产生了“大小差一”(off by one)错误。在长度为 5 的数组中，程序员在索引“5”处使用的值，实际上并不是数组的第 5 个元素。相反，它是内存中的一些其他值，根本与此数组无关。

这是一个数组越界的示例程序。该程序使用了一个只含有 5 个元素的数组，但却引用了该范围之外的数组元素：

#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，程序初始化了数组的所有值（从索引 0 到 4），然后从索引 0 开始读取，结尾是索引 9 而不是索引 4。前五个值是正确的，再后面的值会让你不知所以：

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

引用数组时，始终要记得追踪数组大小。将数组大小存储在变量中；不要对数组大小进行硬编码(hard-code)。否则，如果后期该标识符指向另一个不同大小的数组，却忘记更改硬编码的数组长度时，程序就可能会发生数组越界。

3、字符串溢出

字符串只是特定类型的数组。在 C 语言中，字符串是一个由 char 类型值组成的数组，其中用一个零字符表示字符串的结尾。

因此，与数组一样，要注意避免超出字符串的范围。有时也称之为 字符串溢出。

使用 gets 函数读取数据是一种很容易发生字符串溢出的行为方式。gets 函数非常危险，因为它不知道在一个字符串中可以存储多少数据，只会机械地从用户那里读取数据。如果用户输入像 foo 这样的短字符串，不会发生意外；但是当用户输入的值超过字符串长度时，后果可能是灾难性的。

下面是一个使用 gets 函数读取城市名称的示例程序。在这个程序中，我还添加了一些未使用的变量，来展示字符串溢出对其他数据的影响：

#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;
}

当你测试类似的短城市名称时，该程序运行良好，例如伊利诺伊州的 Chicago 或北卡罗来纳州的Raleigh：

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

威尔士的小镇 Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch 有着世界上最长的名字之一。这个字符串有 58 个字符，远远超出了 name 变量中保留的 10 个字符。结果，程序将值存储在内存的其他区域，覆盖了 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)

在运行结束之前，程序会用长字符串覆盖内存的其他部分区域。注意，var1 和 var2 的值不再是起始的 1 和 2。

避免使用 gets 函数，改用更安全的方法来读取用户数据。例如，getline 函数会分配足够的内存来存储用户输入，因此不会因输入长值而发生意外的字符串溢出。

4、重复释放内存

“分配的内存要手动释放”是良好的 C 语言编程原则之一。程序可以使用 malloc 函数为数组和字符串分配内存，该函数会开辟一块内存，并返回一个指向内存中起始地址的指针。之后，程序可以使用 free 函数释放内存，该函数会使用指针将内存标记为未使用。

但是，你应该只使用一次 free 函数。第二次调用 free 会导致意外的后果，可能会毁掉你的程序。下面是一个针对此点的简短示例程序。程序分配了内存，然后立即释放了它。但为了模仿一个健忘但有条理的程序员，我在程序结束时又一次释放了内存，导致两次释放了相同的内存：

#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");
}

运行这个程序会导致第二次使用 free 函数时出现戏剧性的失败：

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

要记得避免在数组或字符串上多次调用 free。将 malloc 和 free 函数定位在同一个函数中，这是避免重复释放内存的一种方法。

例如，一个纸牌游戏程序可能会在主函数中为一副牌分配内存，然后在其他函数中使用这副牌来玩游戏。记得在主函数，而不是其他函数中释放内存。将 malloc 和 free 语句放在一起有助于避免多次释放内存。

5、使用无效的文件指针

文件是一种便捷的数据存储方式。例如，你可以将程序的配置数据存储在 config.dat 文件中。Bash shell 会从用户家目录中的 .bash_profile 读取初始化脚本。GNU Emacs 编辑器会寻找文件 .emacs 以从中确定起始值。而 Zoom 会议客户端使用 zoomus.conf 文件读取其程序配置。

所以，从文件中读取数据的能力几乎对所有程序都很重要。但是假如要读取的文件不存在，会发生什么呢？

在 C 语言中读取文件，首先要用 fopen 函数打开文件，该函数会返回指向文件的流指针。你可以结合其他函数，使用这个指针来读取数据，例如 fgetc 会逐个字符地读取文件。

如果要读取的文件不存在或程序没有读取权限，fopen 函数会返回 NULL 作为文件指针，这表示文件指针无效。但是这里有一个示例程序，它机械地直接去读取文件，不检查 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;
}

当你运行这个程序时，第一次调用 fgetc 会失败，程序会立即中止：

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

始终检查文件指针以确保其有效。例如，在调用 fopen 打开一个文件后，用类似 if (pfile != NULL) 的语句检查指针，以确保指针是可以使用的。

人都会犯错，最优秀的程序员也会产生编程错误。但是，遵循上面这些准则，添加一些额外的代码来检查这五种类型的错误，就可以避免最严重的 C 语言编程错误。提前编写几行代码来捕获这些错误，可能会帮你节省数小时的调试时间。

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