聊聊嵌入式C語言踩內存的問題

C 語言內存問題，難在于定位，定位到了就好解決了。

這篇筆記我們來聊聊踩內存。踩內存，通過字面理解即可。本來是操作這一塊內存，因為設計失誤操作到了相鄰內存，篡改了相鄰內存的數據。

踩內存，輕則導致功能異常，重則導致程序崩潰死機。

內存，粗略地分：

靜態(tài)存儲區(qū)

動態(tài)存儲區(qū)

存儲于相同存儲區(qū)的變量才有互踩內存的可能。

靜態(tài)存儲區(qū)踩內存

分享一個之前在實際項目中遇到的問題。

在Linux中，一個進程默認可以打開的文件數為1024個，fd的范圍為0~1023。

項目中使用了串口，串口fd為static全局變量，某次這個fd突然變?yōu)橐粋€超范圍得值，顯然被踩了。

出問題的代碼如：

?

float?arr[5];
int?count?=?8;
for?(size_t?i?=?0;?i?

	?

	操作同屬于靜態(tài)存儲區(qū)的arr數組出現(xiàn)了數組越界操作，踩了后面幾個連續(xù)變量，fd也踩了。

	實際中，純靠log打印調試很難定位fd的相鄰變量，需要花比較多的時間。

	在Linux中，這個問題我們可以通過生成生成map文件來查看，在CMakeLists.txt中生成map文件的代碼如：

	?
set(CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS "-Wl,-Map=output.map")  # 生成map文件
set(CMAKE_C_FLAGS "-fdata-sections")               # 把static變量地址輸出到map文件
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-fdata-sections")


	?

	動態(tài)存儲區(qū)踩內存

	動態(tài)堆內存踩內存典型例子：malloc與strcpy搭配使用不當導致緩沖區(qū)溢出。

	?
#include?
#include?
#include?
#include?

int?main?(void)
{
????char?*str?=?"hello";
????int?str_len?=?strlen(str);

????///

	?

	運行結果：

	

	顯然，經過strcpy操作之后，數據a的值被篡改了。

	原因：忽略了strcpy操作會把字符串結束符一同拷貝到目的緩沖區(qū)。

	

	如果相鄰的空間里沒有存放其它業(yè)務數據，那么踩了也不會出現(xiàn)問題，如果正好存放了重要數據，這時候可能會出現(xiàn)大bug，而且可能是偶現(xiàn)的，不好復現(xiàn)定位。

	針對這種情況，我們可以借助一些工具來定位問題，比如：

	dmalloc

	valgrind

	valgrind的簡單使用可閱讀往期筆記：工具 | Valgrind仿真調試工具的使用

	當然，我們也可以在我們的代碼里進行一些嘗試。針對這類問題，分享一個檢測思路：

	我們在申請內存時，在申請內存的前后增加兩塊標識區(qū)（紅區(qū)），里面寫入固定數據。申請、釋放內存的時候去檢測這兩塊標識區(qū)有沒有被破壞（檢測操作堆內存時是否踩到高壓紅區(qū)）。

	為了能定位到后面的標識區(qū)，在增加一塊len區(qū)用來存儲實際申請的空間的長度。

	此處，我們定義：

	前紅區(qū)（before_ red_area）：4字節(jié)。寫入固定數據0x11223344。

	后紅區(qū)（after_ red_area）：4字節(jié)。寫入固定數據0x55667788。

	長度區(qū)（len_area）：4字節(jié)。存儲數據存儲區(qū)的長度。

	

	自定義申請內存函數

	除了數據存儲區(qū)之外，多申請12個字節(jié)。自定義申請內存的函數自然是要兼容malloc的使用方法。malloc原型：

	?
void?*malloc(size_t?__size);


	?

	自定義申請內存的函數：

	?
void?*Malloc(size_t?__size);


	?

	返回值自然要返回數據存儲區(qū)的地址。具體實現(xiàn)：

	?
#define?BEFORE_RED_AREA_LEN??(4)????????????///

	?

	自定義檢測內存函數

	申請完內存并往內存里寫入數據后，檢測本該寫入到數據存儲區(qū)的數據有沒有寫到紅區(qū)。這種內存檢測方法我們是用在開發(fā)調試階段的，所以檢測內存，我們可以使用斷言，一旦觸發(fā)斷言，直接終止程序報錯。

	檢測前后紅區(qū)里的數據有沒有被踩：

	?
void?CheckMem(void?*ptr,?size_t?__size)
{
????void?*data_area_ptr?=?ptr;

????///

	?

	自定義釋放內存函數

	要釋放所有前面申請內存。釋放前同樣要進行檢測：

	?
void?Free(void?*ptr)
{
????void?*all_area_ptr?=?ptr?-?LEN_AREA_LEN?-?BEFORE_RED_AREA_LEN;

????///

	?

	我們使用這種方法檢測上面的?malloc與strcpy搭配使用不當導致緩沖區(qū)溢出?的例子：

	

	可以看到，這個例子踩了后紅區(qū)，把后紅區(qū)數據修改為了?0x55667700?，觸發(fā)斷言程序終止。

	測試代碼：

	?
//?公眾號：嵌入式大雜燴
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?

#define?BEFORE_RED_AREA_LEN??(4)????????????///

	?

	沒有踩內存的情況：

	

	本例只是簡單分享了檢測堆內存踩數據的一種檢測思路，例子代碼不具備通用性。比如，萬一踩的內存不只是相鄰的幾個字節(jié)，而是踩了相鄰的一大片，這時候就跨過了紅區(qū)，而不是踩在紅區(qū)上。

	紅區(qū)大小由我們自己設定，我們可以設得大些。如果設得很大了都能跨過，這種情況bug應該就比較好復現(xiàn)也比較好定位?？创a應該就比較容易定位了，比較難定位的往往是那種踩了一小塊的。

	





	審核編輯：劉清