跟我学C++中级篇——典型的内存问题分析

一、内存问题引起的Crash

程序的崩溃对每个开发人员来说，都是一种磨难的存在，不经历不会成长，但再怎么成长也不愿意经历。在程序崩溃的现象中，内存引起的程序崩溃一直是重要的原因，也可以说，内存的异常引起的程序崩溃是一种较大概率的存在。

二、典型的内存问题

内存问题有很多种，本篇文章主要分析两个典型的情况：
1、缓冲区溢出
Buffer Overflow，一般也可以认为是内存越界。这种现象对于初学者和中级开发者来说非常常见。它的危害性不光局限于引起程序崩溃，更可怕是的，黑客可以利用这些溢出的缓冲区植入各种木马和病毒，从而产生更大的危害。
最常见的几种缓冲区溢出的情况有：
1）数组（类似数组的内存区等）越界访问
2）指针的访问越界（比如拷贝大数据到一个小内存等）
3）这里还要专门把字符串拿出来说事儿，在做字符串的拷贝、搜索定位等情况下，防止出现溢出。
而面对这种比较经典的内存问题，目前的避免或者说解决手段也比较多。常见的有：
1）代码检查，比如使用一个内存检测工具（Valgrind或Cppcheck等）或人工Reivew等，查看是否有内存越界
2）使用编译器进行自动检查，比如编译器经常会有一些内置的安全选项，如gcc中的-fsanitize=address
3）开发者的代码控制手段，也有几种方法，首先是增加对内存宽度的检查，如数组的长度，动态分配内存的长度是否匹配等，其次是使用一些更高级的函数，这些函数内部其实是增加了类似内存长度的检查这种机制，比如strcpy函数改为strncpy函数（可能在Windows和Linux下略有不同），再次就是可以借助一些库提供的高级的数据结构，降低对内存的直接依赖，诸如类似于vector这类自动内存管理的数据结构。
下面看一个简单的例子：

int main(){int buf[100] = {0};
//下面没有做准确的边界检查
for (int num = 0;num <= 100;num++){buf[num] = num;
}
//可以用vector替代
std::vector<int> vec;
for (int num = 0;num <= 100;num++){vec.emplace_back(num);
}return 0;
}

2、释放后应用
use after free,释放后应用。这个就属于看上去简单，其实真正应用起来就比较麻烦了。大家可能觉得，我不在应用释放掉的指针不就可以了？确实如此。但实际情况非常复杂，既有可能自己疏忽大意，也有可能是别人传入的指针被意外释放但没有置空，也有可能是多线程中的锅，凡此种种，不一而足。
常见的这种内存问题引起的原因有以下几种，看看自己犯过哪类：
1）野指针或悬垂指针：这种一般见于初学者，就是把指针释放后又能各种情况供其它模块使用，或者参数及返回值等情况传递给相关调用者（比如局部变量的指针）。
2）重复释放指针：这个一般是疏忽或者见于接口设计不好，互操作异常引起的。
3）提前释放全局或静态指针：这种情况一般也是设计未考虑周全，在某些情况下导致了指针的提前释放。但一般这种设计上都会有置nullptr或NULL的过程，不会引起什么大的问题。
4）多线程间的非安全指针访问：这个就属于比较难缠的情况，正常情况下，应该避免这种设计。如果是必须不可的应用，则要增加同步和判断机制。其实最好是引入更高一层的缓冲加锁控制。
解决这种内存问题同样和上面的溢出一样有几种方式：
1）使用内存工具或编译工具的内存检查选项（同上）
2）使用RAII封装内存应用（有点类似于智能指针）
3）使用智能指针
4）内存在使用完成后，指针置空（供后续检查避免问题）
5）使用内存池

三、说明

内存问题除了上面提到的两种，其实有很多。比如内存被破坏，内存泄露以及内存多线程访问等等。内存的问题一直是各个编程语言的主流的问题，究其原因就在于，内存的管理的复杂度。这个内存管理的复杂度既包含应用层也包含库，实际上也指向上操作系统。
所以说，解决内存问题，不是一个单纯的应用控制的问题，它是一个系统工程。需要开发者不断的提升自己的技术和编程思想，清楚明确的知道自己当前的需求和实际条件，“以无隙入有间”，这才能很好的解决实际问题。
另外，内存引起的问题，可谓千奇百怪。有的时候不光是应用层的锅。记得在网上看过，有人说在一个循环里不断的开辟内存，但内存较大，应用后会回收内存，时间长了，就内存溢出了。原因在于它们的底层使用的tcmalloc。而其有一个特点，使用过的内存一般不会交还给系统，而是为了高效便于再次利用采取自己管理。可当开辟的较大较多的情况下，连续不断的向系统申请较大内存，系统就抗不住了。
所以说，每一个开发者要对自己的代码熟悉，也要对自己的面对的开发环境熟悉。因为对于客户或者测试来说，不管是谁的锅，都得先甩给你。总之，就是一直提倡的大原则，要根据实际情况，实事求是的来处理问题。这就需要有扎实的理论功底和丰富的实践经验。