谈谈嵌入式 C 语言踩内存问题！
来源:嵌入式大杂烩发布时间:2023-06-072285浏览
询问 AI大家好，我是杂烩君。
C 语言内存问题，难在于定位，定位到了就好解决了。
这篇笔记我们来聊聊踩内存。踩内存，通过字面理解即可。本来是操作这一块内存，因为设计失误操作到了相邻内存，篡改了相邻内存的数据。
踩内存，轻则导致功能异常，重则导致程序崩溃死机。
内存，粗略地分：
- 静态存储区
- 动态存储区
存储于相同存储区的变量才有互踩内存的可能。
分享一个之前在实际项目中遇到的问题。
在Linux中，一个进程默认可以打开的文件数为1024个，fd的范围为0~1023。
项目中使用了串口，串口fd为static全局变量，某次这个fd突然变为一个超范围得值，显然被踩了。
出问题的代码如：
floatarr[5];
intcount=8;
for(size_ti=0;i<count;i++)
{
arr[i]=xxx;
}
操作同属于静态存储区的arr数组出现了数组越界操作，踩了后面几个连续变量，fd也踩了。
实际中，纯靠log打印调试很难定位fd的相邻变量，需要花比较多的时间。
在Linux中，这个问题我们可以通过生成生成map文件来查看，在CMakeLists.txt中生成map文件的代码如：
set(CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS "-Wl,-Map=output.map") # 生成map文件
set(CMAKE_C_FLAGS "-fdata-sections") # 把static变量地址输出到map文件
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-fdata-sections")
动态堆内存踩内存典型例子：malloc与strcpy搭配使用不当导致缓冲区溢出。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
intmain(void)
{
char*str="hello";
intstr_len=strlen(str);
///<此时str_len=5
printf("str_len=%d\n",str_len);
///<申请5字节的堆内存
char*ptr=(char*)malloc(str_len);
if(NULL==ptr)
{
printf("mallocerror\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
///<定义一个指针p_a指向ptr向后偏移5字节的地址,并在这个地址里写入整数20
char*p_a=ptr+5;
*p_a=20;
printf("*p_a=%d\n",*p_a);
///<拷贝字符串str到ptr指向的地址
strcpy(ptr,str);
///<打印结果：a指向的地方被踩了
printf("ptr=%s\n",ptr);
printf("*p_a=%d\n",*p_a);
///<释放对应内存
if(ptr)
{
free(ptr);
ptr=NULL;
}
return0;
}
运行结果：
显然，经过strcpy操作之后，数据a的值被篡改了。
原因：忽略了strcpy操作会把字符串结束符一同拷贝到目的缓冲区。
如果相邻的空间里没有存放其它业务数据，那么踩了也不会出现问题，如果正好存放了重要数据，这时候可能会出现大bug，而且可能是偶现的，不好复现定位。
针对这种情况，我们可以借助一些工具来定位问题，比如：
- dmalloc
- valgrind
valgrind的简单使用可阅读往期笔记：工具 | Valgrind仿真调试工具的使用
当然，我们也可以在我们的代码里进行一些尝试。针对这类问题，分享一个检测思路：
我们在申请内存时，在申请内存的前后增加两块标识区（红区），里面写入固定数据。申请、释放内存的时候去检测这两块标识区有没有被破坏（检测操作堆内存时是否踩到高压红区）。
为了能定位到后面的标识区，在增加一块len区用来存储实际申请的空间的长度。
此处，我们定义：
前红区（before_ red_area）：4字节。写入固定数据0x11223344。
后红区（after_ red_area）：4字节。写入固定数据0x55667788。
长度区（len_area）：4字节。存储数据存储区的长度。
除了数据存储区之外，多申请12个字节。自定义申请内存的函数自然是要兼容malloc的使用方法。malloc原型：
void*malloc(size_t__size);
自定义申请内存的函数：
void*Malloc(size_t__size);
返回值自然要返回数据存储区的地址。具体实现：
#defineBEFORE_RED_AREA_LEN(4)///<前红区长度
#defineAFTER_RED_AREA_LEN(4)///<后红区长度
#defineLEN_AREA_LEN(4)///<长度区长度
#defineBEFORE_RED_AREA_DATA(0x11223344u)///<前红区数据
#defineAFTER_RED_AREA_DATA(0x55667788u)///<后红区数据
void*Malloc(size_t__size)
{
///<申请内存：4 + 4 +__size + 4
void*ptr=malloc(BEFORE_RED_AREA_LEN+AFTER_RED_AREA_LEN+__size+LEN_AREA_LEN);
if(NULL==ptr)
{
printf("[%s]mallocerror\n",__FUNCTION__);
returnNULL;
}
///<往前红区地址写入固定值
*((unsignedint*)(ptr))=BEFORE_RED_AREA_DATA;
///<往长度区地址写入长度
*((unsignedint*)(ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN))=__size;
///<往后红区地址写入固定值
*((unsignedint*)(ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN+__size))=AFTER_RED_AREA_DATA;
///<返回数据区地址
void*data_area_ptr=(ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN);
returndata_area_ptr;
}
申请完内存并往内存里写入数据后，检测本该写入到数据存储区的数据有没有写到红区。这种内存检测方法我们是用在开发调试阶段的，所以检测内存，我们可以使用断言，一旦触发断言，直接终止程序报错。
检测前后红区里的数据有没有被踩：
voidCheckMem(void*ptr,size_t__size)
{
void*data_area_ptr=ptr;
///<检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN-BEFORE_RED_AREA_LEN)));
assert(*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN-BEFORE_RED_AREA_LEN))==BEFORE_RED_AREA_DATA);
///<检测是否踩了长度区
printf("[%s]len_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN)));
assert(*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN))==__size);
///<检测是否踩了后红区
printf("[%s]after_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(data_area_ptr+__size)));
assert(*((unsignedint*)(data_area_ptr+__size))==AFTER_RED_AREA_DATA);
}
要释放所有前面申请内存。释放前同样要进行检测：
voidFree(void*ptr)
{
void*all_area_ptr=ptr-LEN_AREA_LEN-BEFORE_RED_AREA_LEN;
///<检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(all_area_ptr)));
assert(*((unsignedint*)(all_area_ptr))==BEFORE_RED_AREA_DATA);
///<读取长度区内容
size_t__size=*((unsignedint*)(all_area_ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN));
///<检测是否踩了后红区
printf("[%s]before_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(all_area_ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN+__size)));
assert(*((unsignedint*)(all_area_ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN+__size))==AFTER_RED_AREA_DATA);
///<释放所有区域内存
free(all_area_ptr);
}
我们使用这种方法检测上面的malloc与strcpy搭配使用不当导致缓冲区溢出的例子：
可以看到，这个例子踩了后红区，把后红区数据修改为了0x55667700，触发断言程序终止。
测试代码：
//公众号：嵌入式大杂烩
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#defineBEFORE_RED_AREA_LEN(4)///<前红区长度
#defineAFTER_RED_AREA_LEN(4)///<后红区长度
#defineLEN_AREA_LEN(4)///<长度区长度
#defineBEFORE_RED_AREA_DATA(0x11223344u)///<前红区数据
#defineAFTER_RED_AREA_DATA(0x55667788u)///<后红区数据
void*Malloc(size_t__size)
{
///<申请内存：4 + 4 +__size + 4
void*ptr=malloc(BEFORE_RED_AREA_LEN+AFTER_RED_AREA_LEN+__size+LEN_AREA_LEN);
if(NULL==ptr)
{
printf("[%s]mallocerror\n",__FUNCTION__);
returnNULL;
}
///<往前红区地址写入固定值
*((unsignedint*)(ptr))=BEFORE_RED_AREA_DATA;
///<往长度区地址写入长度
*((unsignedint*)(ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN))=__size;
///<往后红区地址写入固定值
*((unsignedint*)(ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN+__size))=AFTER_RED_AREA_DATA;
///<返回数据区地址
void*data_area_ptr=(ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN);
returndata_area_ptr;
}
voidCheckMem(void*ptr,size_t__size)
{
void*data_area_ptr=ptr;
///<检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN-BEFORE_RED_AREA_LEN)));
assert(*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN-BEFORE_RED_AREA_LEN))==BEFORE_RED_AREA_DATA);
///<检测是否踩了长度区
printf("[%s]len_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN)));
assert(*((unsignedint*)(data_area_ptr-LEN_AREA_LEN))==__size);
///<检测是否踩了后红区
printf("[%s]after_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(data_area_ptr+__size)));
assert(*((unsignedint*)(data_area_ptr+__size))==AFTER_RED_AREA_DATA);
}
voidFree(void*ptr)
{
void*all_area_ptr=ptr-LEN_AREA_LEN-BEFORE_RED_AREA_LEN;
///<检测是否踩了前红区
printf("[%s]before_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(all_area_ptr)));
assert(*((unsignedint*)(all_area_ptr))==BEFORE_RED_AREA_DATA);
///<读取长度区内容
size_t__size=*((unsignedint*)(all_area_ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN));
///<检测是否踩了后红区
printf("[%s]before_red_area_data=0x%x\n",__FUNCTION__,*((unsignedint*)(all_area_ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN+__size)));
assert(*((unsignedint*)(all_area_ptr+BEFORE_RED_AREA_LEN+LEN_AREA_LEN+__size))==AFTER_RED_AREA_DATA);
///<释放所有区域内存
free(all_area_ptr);
}
intmain(void)
{
char*str="hello";
intstr_len=strlen(str);
///<此时str_len=5
printf("str_len=%d\n",str_len);
///<申请5字节的堆内存
char*ptr=(char*)Malloc(str_len);///<自定义的Malloc
if(NULL==ptr)
{
printf("mallocerror\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
///<定义一个指针p_a指向ptr向后偏移5字节的地址,并在这个地址里写入整数20
char*p_a=ptr+5;
*p_a=20;
printf("*p_a=%d\n",*p_a);
///<拷贝字符串str到ptr指向的地址
strcpy(ptr,str);
///<操作完堆内存之后，要检测写入操作有没有踩到红区
CheckMem(ptr,str_len);
///<打印结果：a指向的地方被踩了
printf("ptr=%s\n",ptr);
printf("*p_a=%d\n",*p_a);
///<释放对应内存
if(ptr)
{
Free(ptr);
ptr=NULL;
}
return0;
}
没有踩内存的情况：
本例只是简单分享了检测堆内存踩数据的一种检测思路，例子代码不具备通用性。比如，万一踩的内存不只是相邻的几个字节，而是踩了相邻的一大片，这时候就跨过了红区，而不是踩在红区上。
红区大小由我们自己设定，我们可以设得大些。如果设得很大了都能跨过，这种情况bug应该就比较好复现也比较好定位。看代码应该就比较容易定位了，比较难定位的往往是那种踩了一小块的。
相关资料：
https://www.packetmania.net/2021/03/28/Memory-overrun-detection/
https://download.csdn.net/download/rrzzzz/8642321
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