C语言常见问题之数组越界与溢出

简介: C语言常见问题之数组越界与溢出

数组越界

C语言数组是静态的,不能自动扩容,当下标小于零或大于等于数组长度时,就发生了越界(Out Of Bounds),访问到数组以外的内存。如果下标小于零,就会发生下限越界(Off Normal Lower);如果下标大于等于数组长度,就会发生上限越界(Off Normal Upper)。


C语言为了提高效率,保证操作的灵活性,并不会对越界行为进行检查,即使越界了,也能够正常编译,只有在运行期间才可能会发生问题。请看下面的代码

#include <stdio.h>
int main()
{
int a[3] = {10, 20, 30}, i;
for(i=-2; i<=4; i++){
printf("a[%d]=%d\n", i, a[i]);
}
return 0;
}

运行结果:

a[-2]=-858993460
a[-1]=-858993460
a[0]=10
a[1]=20
a[2]=30
a[3]=-858993460
a[4]=-858993460

越界访问的数组元素的值都是不确定的,没有实际的含义,因为数组之外的内存我们并不知道是什么,可能是其它变量的值,可能是函数参数,可能是一个地址,这些都是不可控的。


由于C语言的”放任“,我们访问数组时必须非常小心,要确保不会发生越界。每个C语言程序员的生涯中都遇到过越界错误,因为越界错误有时候不容易发现,也不容易复现。


当发生数组越界时,如果我们对该内存有使用权限,那么程序将正常运行,但会出现不可控的结果(如上例所示);如果我们对该内存没有使用权限,或者该内存压根就没有被分配,那么程序将会崩溃。请看下面的例子:

#include <stdio.h>
int main()
{
int a[3];
printf("%d", a[10000]);
return 0;
}

在 VS2010 下运行,会出现运行时错误:

79f9a2f028eb6a8dfa310df8ac3559c8.png

在 C-Free 5.0 下运行,会弹出程序停止工作的对话框:



每个程序能使用的内存都是有限的,该程序要访问 4*10000 字节处的内存,显然太远了,超出了程序的访问范围。这个地方的内存可能没有被分配,可能是系统本身占用的内存,可能是其它数据的内存,如果放任这种行为,将带来非常危险的后果,操作系统只能让程序停止运行。

数组溢出

当赋予数组的元素个数超过数组长度时,就会发生溢出(Overflow)。如下所示:

int a[3] = {1, 2, 3, 4, 5};

数组长度为3,初始化时却赋予5个元素,超出了数组容量,所以只能保存前3个元素,后面的元素被丢弃。


GCC、LLVM/Clang、低版本的 VS(例如 VS2010)发现数组溢出只会给出警告,并不会报错。但是高版本的 VS(例如 VS2015、VS2017)发现数组溢出时会报错,禁止编译通过,微软终于聪明了一次。


一般情况下数组溢出不会有什么问题,顶多是丢失多余的元素。但是当以字符串的形式输出字符数组时,就会产生不可控的情况,请看下面的代码:

#include <stdio.h>
int main()
{
char str[10] = "http://c.biancheng.net";
puts(str);
return 0;
}

在 DEV下的运行结果:

14e924a1f89141a0a8206aa11f456e3e.png

字符串的长度大于数组长度,数组只能容纳字符串的前面一部分,也就是"http://c.b",即使编译器在最后添加了'\0',它也保存不到数组里面,所以 printf() 扫描数组时不会遇到结束符'\0',只能继续向后扫描。而后面内存中的数据我们不知道是什么,字符能否识别,何时遇到'\0',这些都是不确定的。当字符无法识别时,就会出现乱码,显示奇怪的字符。


由此可见,在用字符串给字符数组赋值时,要保证数组长度大于字符串长度,以容纳结束符'\0'。


总结:能够理解数组越界和数组溢出的原因,并且在编程中注意避免。

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