悬空指针和双重释放问题

Question

悬空指针和双重释放问题

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经过一些痛苦的经历，我理解了悬空指针和双重释放的问题。我正在寻求合适的解决方案。

aStruct 包括其他数组在内的多个字段。

aStruct *A = NULL, *B = NULL;
A = (aStruct*) calloc(1, sizeof(sStruct));
B = A;
free_aStruct(A);
...
// Bunch of other code in various places.
...
free_aStruct(B);

有没有办法编写free_aStruct(X)，使得free_aStruct(B)能够优雅地退出？

void free_aStruct(aStruct *X) {
    if (X ! = NULL) {
        if (X->a != NULL) { free(X->a); x->a = NULL; }
        free(X); X = NULL;
    }
}

上述操作只有在调用free_aStruct（A）; 时才会将A = NULL 。此时，B 成为“悬挂指针”。

如何避免或解决这种情况？引用计数是唯一可行的解决方案吗？还是有其他“防御性”方法可以释放内存，以防止free_aStruct（B）; 导致程序崩溃？

- user151410

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移植到Java最好的一点是，当我这样做时，我曾经每天都要处理的所有类别问题完全消失了。 - Bill K

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只有当你编写可能存在这些问题的代码时，才需要处理这些问题。 - anon

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你的询问实际上是“如果我写了糟糕的代码，能否防止因为我的代码而导致不好的事情发生？” 我认为没有任何肯定的答案，只能说没有什么阳光、明亮、小马和兔子。 - Paul Nathan

@Paul Nathan：不要忘记独角兽和彩虹！ - Fred Larson

@Neil Butterworth 只是回复你的观点，即只有在编写代码时才会出现这些问题 - 我几乎完全在处理一些相当严重的糟糕设计决策的代码上工作，而这些决策并不是我做出的。 - Bill K

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5个回答

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我认为你不能自动完成这个任务，因为C语言要求你管理内存，并且你有责任确保引用和悬空指针得到处理！

void free_aStruct(aStruct *X){
  if (X != NULL){
      if (X->a != NULL){free(X->a); X->a = NULL;}
      free(X); X = NULL;
}
}

顺便说一下，在上面的 if 检查中有一个错别字...使用小写字母 'x' 而不是 'X' ...

当我看上面的代码时，我的想法是你正在对类型为 aStruct * 的指针变量的副本进行释放。我会将其修改为通过引用调用...

void free_aStruct(aStruct **X){
  if (*X != NULL){
      if (*X->a != NULL){
          free(*X->a); 
          *X->a = NULL;
      }
      free(*X); 
      *X = NULL;
  }
}

并像这样调用它：

free_aStruct(&A);

除此之外，无论是意外编码还是设计故障，你最终都要自己负责“悬空指针”...

- t0mm13b

谢谢，这真的很有帮助。那就是我所询问的内容。Russ - user151410

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引用计数真的不难：

aStruct *astruct_getref(aStruct *m)
{
    m->refs++;
    return m;
}

aStruct *astruct_new(void)
{
    sStruct *new = calloc(1, sizeof *new);
    return astruct_getref(new);
}

void astruct_free(aStruct *m)
{
    if (--m->refs == 0)
        free(m);
}

(在多线程环境中，您还可能需要添加锁定。)

然后您的代码将会是：

aStruct *A = NULL, *B = NULL;
A = astruct_new();
B = astruct_getref(A);
astruct_free(A);
...
//bunch of other code in various places.
...
astruct_free(B);

您问到了锁定的问题。不幸的是，当涉及到锁定时，没有一种通用的解决方案 - 这完全取决于您的应用程序中有哪些访问模式。精心设计和深思熟虑是无可替代的。（例如，如果您可以保证没有线程在另一个线程的aStruct上调用astruct_getref()或astruct_free()，那么引用计数根本不需要受到保护 - 上面的简单实现就足够了）。

话虽如此，上述原语可以轻松扩展以支持对astruct_getref()和astruct_free()函数的并发访问：

aStruct *astruct_getref(aStruct *m)
{
    mutex_lock(m->reflock);
    m->refs++;
    mutex_unlock(m->reflock);
    return m;
}

aStruct *astruct_new(void)
{
    sStruct *new = calloc(1, sizeof *new);
    mutex_init(new->reflock);
    return astruct_getref(new);
}

void astruct_free(aStruct *m)
{
    int refs;

    mutex_lock(m->reflock);
    refs = --m->refs;
    mutex_unlock(m->reflock);
    if (refs == 0)
        free(m);
}

...但请注意，任何包含指向受并发访问的结构体的指针的变量也需要自己的锁定（例如，如果您有一个全局的aStruct *foo被同时访问，它将需要相应的foo_lock）。

- caf

谢谢caf。这在我的代码中肯定是可行的。你能提供一个锁定的例子吗？最好，Russ - user151410

@user151410：我更新了我的答案，添加了一些关于锁定的信息。 - caf

谢谢，那真的很有帮助。我准备尝试引用计数。您能推荐一些描述引用计数的 C 书籍吗？谢谢，Russ。 - user151410

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即使您可以防止free_aStruct（B）崩溃，如果您的评论背后的代码中有任何对B的引用，那么将使用已被释放的内存，因此可能会在任何时候被新数据覆盖。仅“修复”free调用将只掩盖潜在错误。

- Andy Mortimer

好的观点。这是一个大问题。它主要是数字代码，并且有标志表明对象是干净的还是脏的，以防止意外访问。但是，正如本帖子中的帖子所指出的那样，在C语言中很难实施。我的希望是使用这些技术和各种工具（如valgrind等）来确保没有非法访问。Russ - user151410

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有一些技巧可以使用，但底线是在 C 中无法严格执行任何操作。因此，我建议在开发过程中加入 valgrind（或 purify）。此外，一些静态代码分析器可能能够检测出其中的一些问题。

- frankc

我正在使用Valgrind，它真的很有帮助。你能推荐一些开源的静态代码分析器吗？谢谢，Russ。 - user151410

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可以查看英文原文，
原文链接

- Secure · Accepted Answer

在普通的C语言中，解决这个问题最重要的方法是纪律性，因为问题的根源在于这里：

B = A;

在不改变结构体内部任何内容的情况下，复制指针，绕过编译器的任何警告。你需要使用类似这样的东西：

B = getref_aStruct(A);

下一个重要的事情是跟踪分配。一些有助于此的东西包括干净的模块化、信息隐藏和DRY——不要重复自己。你可以直接调用calloc()来分配内存，而使用free_aStruct()函数来释放它。最好使用create_aStruct()来分配它。这样可以将事物集中在一个地方，而不是在代码库中到处抛出内存分配。

这是构建在此基础上的任何内存跟踪系统的更好基础。