C语言（14） 谈谈嵌入式 C 语言踩内存问题！

news2024/12/28 3:56:48

1 概述

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。

2 静态存储区踩内存

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：

float arr[5];
int count = 8;
for (size_t i = 0; i < count; i++)
{
    arr[i] = xxx;
}

在这里插入图片描述
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")

3 动态存储区踩内存

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>

int main (void)
{
    char *str = "hello";
    int str_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("malloc error\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;
    }

    return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述
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：链接

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。

在这里插入图片描述

自定义申请内存函数

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：

#define BEFORE_RED_AREA_LEN  (4)            ///< 前红区长度
#define AFTER_RED_AREA_LEN   (4)            ///< 后红区长度
#define LEN_AREA_LEN         (4)            ///< 长度区长度

#define BEFORE_RED_AREA_DATA (0x11223344u)  ///< 前红区数据
#define AFTER_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]malloc error\n", __FUNCTION__);
        return NULL;
    }

    ///< 往前红区地址写入固定值
    *((unsigned int*)(ptr)) = BEFORE_RED_AREA_DATA;     

    ///< 往长度区地址写入长度     
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN)) = __size;  

    ///< 往后红区地址写入固定值
    *((unsigned int*)(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);
    return data_area_ptr;
}
自定义检测内存函数
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：

void CheckMem(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__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)));
    assert(*((unsigned int*)(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__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)));
    assert(*((unsigned int*)(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__, *((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)));
    assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA); 
}

自定义释放内存函数
要释放所有前面申请内存。释放前同样要进行检测：

void Free(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__, *((unsigned int*)(all_area_ptr)));
    assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);

    ///< 读取长度区内容
    size_t __size = *((unsigned int*)(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__, *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)));
    assert(*((unsigned int*)(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：
在这里插入图片描述
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：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

#define BEFORE_RED_AREA_LEN  (4)            ///< 前红区长度
#define AFTER_RED_AREA_LEN   (4)            ///< 后红区长度
#define LEN_AREA_LEN         (4)            ///< 长度区长度

#define BEFORE_RED_AREA_DATA (0x11223344u)  ///< 前红区数据
#define AFTER_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]malloc error\n", __FUNCTION__);
        return NULL;
    }

    ///< 往前红区地址写入固定值
    *((unsigned int*)(ptr)) = BEFORE_RED_AREA_DATA;     

    ///< 往长度区地址写入长度     
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN)) = __size;  

    ///< 往后红区地址写入固定值
    *((unsigned int*)(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);
    return data_area_ptr;
}

void CheckMem(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__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)));
    assert(*((unsigned int*)(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__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)));
    assert(*((unsigned int*)(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__, *((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)));
    assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA); 
}

void Free(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__, *((unsigned int*)(all_area_ptr)));
    assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);

    ///< 读取长度区内容
    size_t __size = *((unsigned int*)(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__, *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)));
    assert(*((unsigned int*)(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);
}

int main (void)
{
    char *str = "hello";
    int str_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("malloc error\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;
    }

    return 0;
}

没有踩内存的情况：
在这里插入图片描述
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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