C++：如何确定指针是否指向有效对象？

Question

我正在学习C++并阅读《C++ Primer》。我有一个问题想要知道答案：

给定一个指针p，你能否确定p是否指向有效的对象？如果可以，那么如何确定？如果不行，为什么不行？

- 2013Asker

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请定义“有效”。 - tckmn

智能指针的作用是什么。 - chris

如果您了解底层内存管理器的工作方式（如何进行簿记），那么您也许可以弄清楚它。但是，这将非常依赖于平台。如果您自己管理内存，那么这应该不是问题。最佳做法仍然是坚持最佳实践（RAII、封装）。 - didierc

@chris - 智能指针的作用有点类似。但是GIGO仍然适用；您始终可以创建一个持有错误指针的智能指针。 - Pete Becker

可能是 Testing pointers for validity (C/C++) 的重复问题。 - jwodder

Answer 1

不行，为什么呢？因为维护关于哪些指针是有效的、哪些不是有效的元数据会很昂贵，在C++中，只要你不需要的东西就不用付出代价。

而且你不想检查指针是否有效，因为你知道指针来自哪里，无论是因为它是你控制的代码的私有部分，还是因为你在外部合约中指定了它。

- Kerrek SB

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我认为这并不昂贵...现在标准库中的智能指针有非常少量的开销。在绝大多数情况下，其好处远远超过成本。有关更多信息，请参见相关帖子：https://dev59.com/PGEh5IYBdhLWcg3wjD_n - tjwrona1992

@tjwrona1992：这似乎过于简单和不切实际。智能指针具有不同的语义，因此不能进行比较（unique_ptr、shared_ptr），或者它们具有相同的语义并且也存在相同的问题（observer_ptr）。还要注意，由于ABI选择不佳（它不是在寄存器中返回），在作为返回类型时，unique_ptr在实践中比原始指针更昂贵。 - Kerrek SB

我并不是说它们没有成本。我想说的是，如果你不是在嵌入式环境下工作，并且编写代码用于内存非常有限、时钟速度很慢的微处理器，那么在几乎所有的使用情况下，与收益相比，成本基本可以忽略不计。 - tjwrona1992

@tjwrona1992：除了真正存在的大型代码库抱怨unique_ptr带来的不必要的性能损失（在这个层面上，它会产生实际的美元价值成本）之外，您还忽略了我的主要观点：智能指针并不是一种即插即用的替代品，因为它们具有不同的语义。没有明显的智能指针可以用于非所有权转移引用语义，以匹配原始指针的语义；这需要不同的设计。 - Kerrek SB

Answer 2

不可能的。想一想这种情况。

int *ptr = new int(10);
int *ptrDup = ptr;

delete ptr;

但是ptrDup仍然指向ptr指向的内存位置，但是该位置已经不存在了。因此，对ptrDup进行引用会导致未定义的行为。但是有一个完全不同的概念——引用计数。

- Mahesh

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实际上，删除操作不会影响指针本身，因此指针仍然指向相同的内存地址，并对其进行解引用也将导致未定义行为... - Aconcagua

delete 会使 指针 本身失效，if (ptr != nullptr) 和 if (ptrDup != nullptr) 在 delete 后都是未定义的行为。可以通过在 delete 后重新初始化它们来使它们再次有效，如 ptr = nullptr; ptrDup = nullptr;。 - Eljay

Answer 3

在所有含义上，很难确定指针是否“有效”。

当然，您可以尝试引用指针（*ptr = x;或x = *ptr）。如果代码没有崩溃，则指针指向有效的内存。如果它崩溃了，显然指针无效。不幸的是，这种方法有点像通过将枪对准头部来检查枪膛是否装弹，这并不是最聪明的选择...不幸的是，在指针方面，没有“检查弹膛是否装弹”的方法，因此没有真正好的方法来确定指针是否有效，除了“如果它不会导致硬件故障，它就是有效的”。

请注意，这通常只告诉您“指针指向您可以访问的一些内存”，而并不意味着指针“对于您想要的内容是正确的”（例如，它指向正确类型）。当然，它也无法告诉你指针是否指向“过时的数据”（也就是说，当指针曾经是有效的，但现在它是用于其他用途的内存）。

不幸的是，在现代系统中，有2³² 或 2⁶⁴ [实际上是2⁴⁸] 个可能有效的内存地址，几乎无法知道哪些地址是有效的，哪些是无效的。即使在操作系统内部，操作系统确定它是否可以写入您要求它写入的内存的方式是“尝试写入并查看发生了什么”。对于操作系统而言，这很好解决，因为它可以小心地处理“这可能出问题，并且如果出了问题，我将继续处理错误恢复代码”。操作系统必须处理这个问题，因为它必须接受a）程序员会犯错，b）某些人实际上编写恶意代码来尝试破坏操作系统。

应用程序“确保指针有效”的方法是程序员编写小心谨慎的代码，注意存储在指针中的内容、释放这些指针的方式，只使用存储了有效值的指针。你不应该最终“必须检查指针是否有效”——那样做就是“错误的”。

（当你在一个系统上工作一段时间，并在调试器中读取指针值时，你会逐渐认识到“好的”和“坏的”指针——但那只是因为你学会了通常情况下好指针与坏指针的外观。要编写代码来识别这种情况几乎是不可能的——特别是如果系统正在分配大量内存，以便使用大部分可用空间。）

当然，在C++中，有智能指针、向量和其他各种工具，这意味着很多时候你甚至不必费心处理指针。但是，理解如何使用指针以及指针的工作原理仍然是一件好事。

- Mats Petersson

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如果您取消引用指向非T类型对象的指针，行为是未定义的 - 因此您的开头陈述是错误的 - 它可能不会崩溃。 - Andrew Tomazos

@user1131467：好的，我已经添加了这样一条声明。我的主要观点实际上是，“如果你有一个坏指针（无效的，而不是指向错误类型），那么很难在不崩溃的情况下找出它”。 - Mats Petersson

我并不认为这个答案的前几段对帖子有任何有用的补充，特别是问题是关于指针是否指向“有效对象”，而不是“有效内存”。无效指针通常是一个指针，在用户调用delete之前是有效的，在这种情况下，它可能“看起来”正确，并且似乎工作正常，但实际上返回的是僵尸垃圾，它恰好位于应用程序的有效内存范围内。因此，考虑到所有这些陷阱，也许最好只说“不”，然后介绍如何避免检查原始指针的有效性？ - Agentlien

@Agentlien 好的，我已经添加了一个“第一句”来表示“不行”。 - Mats Petersson

这对我来说已经足够了改进。+1 - Agentlien

Answer 4

如果一个指针被设置为nullptr，那就意味着它没有指向任何对象，而是被赋予了一个“默认”值。有可能这个指针既没有被分配给nullptr，同时也没有被分配给一个有效的对象，但在这种情况下无法确定。例如：

使用nullptr：

int *ptr = nullptr;

// check if pointer is unassigned to an object
if (ptr == nullptr) ptr = new int{0};

没有 nullptr:

int *ptr;

// using ptr while uninitialized is Undefined Behavior!
if (ptr != &some_object)

- David G

Answer 5

如其他答案中所述，使用形式为SomeObject* somePointer的裸指针是不可能实现这一点的。然而，c++11引入了一组新的动态内存管理和智能指针。使用智能指针可以检测资源是否可用。例如，以下示例：

std::weak_ptr<int> w; // Our pointer to a resource.
{
    std::shared_pointer<int> s = std::make_shared<int>(5); // The resource.

    w = s;       // We can set the weak pointer to the shared pointer.

    auto s2 = w; // Here we can promote the weak pointer to a shared  pointer to control 
                 // the resource.

    *s2 = 6;     // Here we can use the resource.

}                // Here the resource is destroyed.

auto s2 = w;     // Here we will fail to get the resource because it has been destroyed. We
                 // have successfully used smart pointers to detect if the resource exists.

阅读更多关于 std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 的内容，以获取更多示例。在c++11之前，类似的智能指针类型也可以在boost中找到。

- Fantastic Mr Fox

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智能指针在C++11中（大大）改进了，但它们早在很久以前就被引入了... - Ben Voigt

@BenVoigt 我会加上"new"这个词，但我不想在这里讨论auto_ptr，因为我需要写一整页来讲述为什么不要使用它。我也会添加一条关于boost的说明。 - Fantastic Mr Fox

Answer 6

C++规范没有提供任何支持来确定指针是否有效。最好使用智能指针，因为您很少会误用它们（它们具有各种保护措施，允许正确操作）。

然而，各个公司开发了库和工具来添加代码以检查每个内存访问，如果其中一个无效，则会收到中断。

对于g++，我使用sanitizer选项，如下所示：

g++ -fsanitize=address -fsanitize=enum -fsanitize=unreachable ...

第一种方法将保护您的内存访问，以至于尝试使用错误的指针将被检测到并出现SEGV。它使用MMU来保护您的内存，因此是硬件驱动的。它会减慢您的代码，但仍然非常快。在这种模式下需要注意的一件事是，二进制文件分配了2Tb的虚拟内存。除非您有很多RAM，否则不要同时运行太多这样的二进制文件。

顺便说一句：部分代码来自Google，第一个实现是在clang中完成的。

在Linux下的直接C/C++中，您可以测试指针是否在您的进程内。但是，对于大内存支持，这将失败，您还必须考虑堆栈。起始指针类似于0x400000。堆的结束地址可以使用sbrk()确定。因此，您的堆指针应该在这两个边界之间。

- Alexis Wilke