[c语言日寄]越界访问：意外的死循环

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前言

越界访问是一种常见的程序错误，本篇文章将基于一个案例，从什么是数组越界，数组越界经常发生在什么地方，如何预防数据越界三方面来详细介绍该错误。

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一、案例

查看以下c语言代码，试写出其运行结果，并说明理由：

#include 
int main()
{
    int i = 0;
    int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    for (i = 0; i <= 12; i++)
    {
        arr[i] = 0;//数组越界访问
        printf("%d\t",i);
    }
    return 0;
}

这个代码非常简洁，我们可以很容易的发现其中i的范围是1-12，但是arr数组的大小只有10个int类型，出现了越界访问。

我们在vs2022中，在debug、x86环境下，运行该代码，结果如下：

没错，出现了死循环。但是，为什么呢？

二、越界访问

什么是越界访问

越界访问（Out-of-Bounds Access），也称为缓冲区溢出或越界读写，是一种常见的程序错误。它指的是程序试图访问超出其分配的内存空间的数据。这种行为可能会导致程序崩溃或者被利用来进行恶意攻击。

越界访问一般发生在什么地方

数组操作

• 数组索引超出范围：这是最常见的越界访问类型。例如，对于一个大小为10的数组，尝试访问第11个元素（索引为10）就会导致越界。
• 循环控制不当：在循环中，如果循环条件或索引更新逻辑有误，可能会导致索引超出数组范围。例如：

int arr[10];
for (int i = 0; i <= 10; i++) { // 错误：i <= 10
    arr[i] = i;
}

指针操作

• 未初始化的指针：如果指针没有被正确初始化，它可能指向一个随机的内存地址，解引用这样的指针会导致越界访问。
• 野指针：指针指向了一个已经被释放或从未分配的内存区域。
• 指针偏移错误：通过指针进行偏移操作时，如果偏移量计算错误，可能会导致指针指向无效的内存地址。

int arr[10];
int* ptr = arr;
ptr += 11; // 错误：ptr指向了数组范围之外
*ptr = 42; // 越界访问

字符串操作

• 字符串长度错误：在处理字符串时，如果字符串长度计算错误，可能会导致越界访问。例如，使用strcpy时，目标字符串的缓冲区大小不足以容纳源字符串，就会导致越界。
• 字符串函数使用不当：使用如strcpy、strcat等不安全的字符串函数，而不是strncpy、strncat等安全的函数，容易导致越界。例如：

char dest[10];
char src[] = "Hello, World!";
strcpy(dest, src); // 错误：src长度超过dest的大小

动态内存分配

• 分配大小错误：在使用malloc、calloc或realloc分配内存时，如果分配的大小不足以满足需求，可能会导致越界访问。
• 释放后使用：释放了动态分配的内存后，仍然尝试访问该内存区域，会导致越界访问。例如：

int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
free(ptr);
*ptr = 42; // 错误：ptr指向的内存已经释放

结构体和联合体操作

• 结构体成员访问错误：如果结构体的成员访问逻辑有误，可能会导致越界访问。例如，访问结构体中不存在的成员。
• 联合体使用不当：联合体中的成员共享同一块内存，如果访问联合体成员时没有正确处理，可能会导致越界访问。

函数调用和参数传递

• 函数参数错误：传递给函数的参数如果超出预期范围，可能会导致函数内部的越界访问。例如，传递给函数的数组指针和数组大小参数不匹配。
• 递归调用错误：在递归函数中，如果递归条件或递归深度控制不当，可能会导致越界访问。

系统调用和库函数

• 系统调用参数错误：在调用系统函数时，如果传递的参数不正确，可能会导致越界访问。例如，使用read或write系统调用时，传递的缓冲区大小参数错误。
• 库函数使用不当：使用标准库函数时，如果参数不正确或使用方式不当，可能会导致越界访问。例如，使用memcpy时，目标缓冲区大小不足以容纳源数据。

并发和多线程

• 线程同步错误：在多线程环境中，如果线程同步机制不正确，可能会导致多个线程同时访问同一块内存，从而导致越界访问。
• 线程局部存储错误：如果线程局部存储的使用不当，可能会导致越界访问。

网络编程

• 网络数据处理错误：在处理网络数据时，如果数据长度计算错误或缓冲区管理不当，可能会导致越界访问。例如，接收的网络数据长度超过缓冲区大小。
• 协议解析错误：在解析网络协议时，如果协议解析逻辑有误，可能会导致越界访问。

三、如何避免越界访问

数组操作

• 检查索引范围：在访问数组元素之前，始终检查索引是否在合法范围内。

int arr[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    arr[i] = i;
}

• 使用安全的数组操作函数：在C语言中，可以使用如strncpy、strncat等安全的字符串操作函数，而不是strcpy、strcat等可能导致越界的函数。

char dest[10];
char src[] = "Hello, World!";
strncpy(dest, src, sizeof(dest) - 1);
dest[sizeof(dest) - 1] = '\0'; // 确保字符串以null字符结尾

指针操作

• 初始化指针：确保指针在使用前被正确初始化。

int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (ptr == NULL) {
    // 处理内存分配失败的情况
}

• 检查指针有效性：在解引用指针之前，检查指针是否指向有效的内存地址。

if (ptr != NULL) {
    *ptr = 42;
}

• 避免野指针：释放指针后，立即将其设置为NULL，以避免后续误用。

free(ptr);
ptr = NULL;

字符串操作

使用安全的字符串函数：使用如strncpy、strncat等安全的字符串操作函数，而不是strcpy、strcat等可能导致越界的函数。

char dest[10];
char src[] = "Hello, World!";
strncpy(dest, src, sizeof(dest) - 1);
dest[sizeof(dest) - 1] = '\0'; // 确保字符串以null字符结尾

动态内存分配

• 检查分配大小：在使用malloc、calloc或realloc分配内存时，确保分配的大小足以满足需求。

int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (ptr == NULL) {
    // 处理内存分配失败的情况
}

• 释放后不再使用：释放了动态分配的内存后，立即将指针设置为NULL，以避免后续误用。

free(ptr);
ptr = NULL;

结构体和联合体操作

• 检查结构体成员访问：在访问结构体成员时，确保成员存在且访问逻辑正确。

struct {
    int a;
    int b;
} s;
s.a = 10; // 正确
// s.c = 20; // 错误：结构体中没有成员c

• 正确使用联合体：联合体中的成员共享同一块内存，确保访问联合体成员时逻辑正确。

union {
    int a;
    char b[4];
} u;
u.a = 0x12345678;
// 正确访问联合体成员

四、回归案例分析

我们在第八行添加一个断点，并对代码进行调试：

我们在监视窗口下，逐步观察值的变化：

可以看到，我们的前十次for循环是正常运行的：
那么问题就出现在数组越界后了，我们可以修改监视窗口，使得arr[10]、arr[11]、arr[12]也可以显示出来。

此时，我们可以发现，arr[10]、arr[11]是随机值，但是arr[12]储存了一个值。当我们执行到arr[12]被修改时，监视如下：

没错！i的值被改变了！那么我们可以猜测，i的值是否就是储存在arr[12]处？使用监视验证这个猜想：

答案出来了，可以看见arr[12]的地址和i的地址一模一样，即因为数组越界访问，使得i的值永远无法达到跳出循环的条件。

因此，出现了死循环现象。

总结

通过本文的案例分析，我们深入探讨了数组越界访问这一常见错误。越界访问不仅会导致程序崩溃，还可能引发安全漏洞。本文从越界访问的定义、常见场景及预防方法三个方面进行了详细阐述。在案例中，通过调试，我们发现数组越界访问导致循环变量 i 的值被意外修改，从而引发死循环。

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