關於C語言的部分BUG

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scanf格式匹配引發的錯誤

執行如下程式時，出現這類錯誤：`*** stack smashing detected ***: ./test_global terminated`。錯誤原因可能是因為`scanf("%d%d", &row, &col)`接收的是`int`型，但是我使用的是`short int`，長度是`Int`的一半。修改成`int`後錯誤消失。

#include<stdio.h>

int main(){ 
int row, col;

scanf("%d%d", &row, &col);
printf("%d %d", row, col);
return 0;
}

區域性變數被釋放引發的bug

執行如下程式時，會無終止地列印-1。原因是變數p所指向的變數k在addr()函式執行後自行銷燬，k所使用的記憶體被分配給loop()中的變數i，從而導致p指向i。而此時對p的操作是減1，對i的操作是加1，導致i的值始終為-1，無法跳出迴圈。

#include<stdio.h>

void addr();
void loop();

long *p;
int main(){
addr();
loop();
}

void addr(){
long k;
k = 0;
p = &k;
}

void loop(){
long i, j;
j = 0;
for (i = 0; i<10;i++){
(*p)--;
j++;
printf("%d\n", i);
}
}

陣列寫入超出索引維度

雖然執行下面程式碼不會出錯，但是對陣列a[10]的寫操作超出了維度，導致在地址為a+10的地方也寫入了資料，但是容易引發潛在bug。

#include<stdio.h>

int main()
{
int i;
int a[10];
for (i = 0; i <= 10; ++i)
{
a[i] = 0;
printf("%d\n", i);
}
exit(0);
}

指標的指標引發的思考

對於將指標作為引數進行傳遞時，如果是將在子函式內賦值給一個新申請的空間，那麼就要注意在傳遞指標時，需要傳遞指標的地址，即指標的指標。錯誤程式如下：

#include<stdio.h>

void allocateInt(int * i, int m);
void main()
{
int m = 5;
int * i = &m;
printf("i address: %x\n", &i);
allocateInt(i, m);
printf("*i = %d\n", *i);
}

void allocateInt(int * i, int m)
{
printf("i address: %x\n", &i);
i = (int *) malloc(sizeof(int));
*i = 3;
}

指標的指標引發的思考——思考

雖然對該問題的解釋一般是：在傳遞引數時，系統為子函式的變數新申請一部分空間，因此在 void allocateInt(int * i) 中，i的地址和在 void main() 中的地址是不同的，而 void allocateInt(int * i) 中的i是區域性變數，在子函式執行結束會被釋放掉，因此 void main() 中的i是無法得到malloc的地址的，更不可能得到新的賦值。

下面通過gdb除錯以及反彙編來進行說明：

1. 程式在執行至main函式中的 allocateInt(i, m); 語句時，變數i和m的記憶體地址如下圖所示，&i=0x7fffffffdaf0，&m=0x7fffffffdaec：
   
2. 之後使用命令si對組合語言進行單步除錯，連續執行5次si命令後（主要是保留變數i和m的值），程式進入 allocateInt 函式。進入時，i=0x7ffff7ffe168, m=0，也就是說i和m還並沒有被傳遞賦值，結果如下所示：
   但此時，變數i和m的地址是不同的，&i=0x7fffffffdac8，&m=0x7fffffffdac4，如下圖所示：
   
3. 再執行5次彙編指令後，才將引數的完成傳遞賦值，程式的指標才開始指向 void allocateInt(int * i, int m) 中的 printf("i address: %x\n", &i); ，如下圖所示：
   此時的i和m已經被賦值，i=(int *) 0x7fffffffdaec, m=5。
4. 針對在第3點提到的4次彙編指令，這裡進一步說明。
   • 第1條指令是 push %rbp ，也就是把rbp暫存器入棧；
   • 第2條指令是 mov %rsp,%rbp ，其中rsp是堆疊指標。也就是把堆疊指標的值賦值給rbp暫存器；
   • 第3條指令是 sub $0x10,%rsp ，也就是把堆疊指標所指向的地址減少16個位元組。這是因為變數i和m一共佔用了16個位元組;
   • 第4條指令是 mov %rdi,-0x8(%rbp) ，也就是把暫存器rdi的值（rdi=0x7fffffffdaec，如下圖所示）賦值給i。因為i的地址就是rbp-0x8;
   • 第5條指令是 mov %esi,-0xc(%rbp) ，作用類似於第4條，將暫存器esi的值（esi=0x5，如下圖所示）賦值給m。
     
5. 關於暫存器的相關知識、gdb的除錯命令可以參考下面的參考資料；
6. 關於彙編指令中出現的 lea 命令可以網上查詢，主要就是一種更加有效的mov方法；
7. 關於彙編指令中出現的 callq 0x4004a0 <printf@plt> ，意思是呼叫print函式。但是這裡並不是直接呼叫print函式，而是呼叫類似於print函式在程序中的別名。因為這是公用庫中的函式，因此不同程序中都會呼叫，所以只在程序中存留一個函式地址或者別名就好。具體參見stackoverflow上的一篇文章 ofollow,noindex" target="_blank">What does @plt mean here? 。

題外話

• 在編寫時注意區域性性原理，提高效能。一般cache會把某次訪問的記憶體地址附近區域的內容都載入進去。如果在編寫程式時相鄰語句訪問的資料是在記憶體中連續的，那麼就會調高cache的命中率。
• 在編寫時注意分支預測導致的效能問題。在向下跳轉的情況下，優先將最有可能執行的語句放在if分支下，減少分支預測時的開銷（向下跳轉在靜態分支預測中一般預設不跳轉；向上跳轉在靜態分支預測中一般預設跳轉），例如：

int a = -5;
int b = 0; 
................................................
if(a > 0){if(a <= 0){
b = 1;b = 2;
}}
else{else{
b = 2;b=1;
}}

關於分支預測的一些預測方式可以參考一篇部落格 C++效能榨汁機之分支預測器