C語言數(shù)組越界了，后果很嚴重，如何避免？

時間：2021-01-20 11:25:02

關鍵字： C語言數(shù)組越界

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[導讀]所謂的數(shù)組越界，簡單地講就是指數(shù)組下標變量的取值超過了初始定義時的大小，導致對數(shù)組元素的訪問出現(xiàn)在數(shù)組的范圍之外，這類錯誤也是 C 語言程序中最常見的錯誤之一。

素材來源：嵌入式ARM

所謂的數(shù)組越界，簡單地講就是指數(shù)組下標變量的取值超過了初始定義時的大小，導致對數(shù)組元素的訪問出現(xiàn)在數(shù)組的范圍之外，這類錯誤也是 C 語言程序中最常見的錯誤之一。

在 C 語言中，數(shù)組必須是靜態(tài)的。換而言之，數(shù)組的大小必須在程序運行前就確定下來。由于 C 語言并不具有類似 Java 等語言中現(xiàn)有的靜態(tài)分析工具的功能，可以對程序中數(shù)組下標取值范圍進行嚴格檢查，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)組上溢或下溢，都會因拋出異常而終止程序。也就是說，C 語言并不檢驗數(shù)組邊界，數(shù)組的兩端都有可能越界，從而使其他變量的數(shù)據(jù)甚至程序代碼被破壞。

因此，數(shù)組下標的取值范圍只能預先推斷一個值來確定數(shù)組的維數(shù)，而檢驗數(shù)組的邊界是程序員的職責。

一般情況下，數(shù)組的越界錯誤主要包括兩種：數(shù)組下標取值越界與指向數(shù)組的指針的指向范圍越界。

數(shù)組下標取值越界

數(shù)組下標取值越界主要是指訪問數(shù)組的時候，下標的取值不在已定義好的數(shù)組的取值范圍內(nèi)，而訪問的是無法獲取的內(nèi)存地址。例如，對于數(shù)組 int a[3]，它的下標取值范圍是 [0，2]（即 a[0]、a[1] 與 a[2]）。如果我們的取值不在這個范圍內(nèi)（如 a[3]），就會發(fā)生越界錯誤。示例代碼如下所示：

    1int a[3];  2int i=0;  3for(i=0;i<4;i++)  4{  5 a[i] = i;  6}  7for(i=0;i<4;i++)  8{  9 printf("a[%d]=%d\n",i,a[i]); 10}

很顯然，在上面的示例程序中，訪問 a[3] 是非法的，將會發(fā)生越界錯誤。因此，我們應該將上面的代碼修改成如下形式：

    1int a[3];  2int i=0;  3for(i=0;i<3;i++)  4{  5 a[i] = i;  6}  7for(i=0;i<3;i++)  8{  9 printf("a[%d]=%d\n",i,a[i]); 10}

指向數(shù)組的指針的指向范圍越界

指向數(shù)組的指針的指向范圍越界是指定義數(shù)組時會返回一個指向第一個變量的頭指針，對這個指針進行加減運算可以向前或向后移動這個指針，進而訪問數(shù)組中所有的變量。但在移動指針時，如果不注意移動的次數(shù)和位置，會使指針指向數(shù)組以外的位置，導致數(shù)組發(fā)生越界錯誤。下面的示例代碼就是移動指針時沒有考慮到移動的次數(shù)和數(shù)組的范圍，從而使程序訪問了數(shù)組以外的存儲單元。

    1int i;  2int *p;  3int a[5];  4/*數(shù)組a的頭指針賦值給指針p*/  5p=a;  6for(i=0;i<10;i++)  7{  8 /*指針p指向的變量*/  9 *p=i+10; 10 /*指針p下一個變量*/ 11 p++; 12}

在上面的示例代碼中，for 循環(huán)會使指針 p 向后移動 10 次，并且每次向指針指向的單元賦值。但是，這里數(shù)組 a 的下標取值范圍是 [0，4]（即 a[0]、a[1]、a[2]、a[3] 與 a[4]）。因此，后 5 次的操作會對未知的內(nèi)存區(qū)域賦值，而這種向內(nèi)存未知區(qū)域賦值的操作會使系統(tǒng)發(fā)生錯誤。正確的操作應該是指針移動的次數(shù)與數(shù)組中的變量個數(shù)相同，如下面的代碼所示：

    1int i;  2int *p;  3int a[5];  4/*數(shù)組a的頭指針賦值給指針p*/  5p=a;  6for(i=0;i<5;i++)  7{  8 /*指針p指向的變量*/  9 *p=i+10; 10 /*指針p下一個變量*/ 11 p++; 12}

為了加深大家對數(shù)組越界的了解，下面通過一段完整的數(shù)組越界示例來演示編程中數(shù)組越界將會導致哪些問題。

    1#define PASSWORD "123456"  2int Test(char *str)  3{  4 int flag;  5 char buffer[7];  6 flag=strcmp(str,PASSWORD);  7 strcpy(buffer,str);  8 return flag;  9} 10int main(void) 11{ 12 int flag=0; 13 char str[1024]; 14 while(1) 15 { 16 printf("請輸入密碼：  "); 17 scanf（"%s",str); 18 flag = Test(str); 19 if(flag) 20 { 21 printf("密碼錯誤！\n"); 22 } 23 else 24 { 25 printf("密碼正確！\n"); 26 } 27 } 28 return 0; 29}

上面的示例代碼模擬了一個密碼驗證的例子，它將用戶輸入的密碼與宏定義中的密碼 123456進行比較。很顯然，本示例中最大的設計漏洞就在于 Test() 函數(shù)中的 strcpy(buffer,str) 調(diào)用。

由于程序?qū)⒂脩糨斎氲淖址獠粍拥貜椭频?Test() 函數(shù)的數(shù)組 char buffer[7] 中。因此，當用戶的輸入大于 7 個字符的緩沖區(qū)尺寸時，就會發(fā)生數(shù)組越界錯誤，這也就是大家所謂的緩沖區(qū)溢出Buffer overflow 漏洞。

但是要注意，如果這個時候我們根據(jù)緩沖區(qū)溢出發(fā)生的具體情況填充緩沖區(qū)，不但可以避免程序崩潰，還會影響到程序的執(zhí)行流程，甚至會讓程序去執(zhí)行緩沖區(qū)里的代碼。示例運行結(jié)果為：

    1請輸入密碼:12345  2密碼錯誤！  3請輸入密碼:123456  4密碼正確！  5請輸入密碼:1234567  6密碼正確！  7請輸入密碼:aaaaaaa  8密碼正確！  9請輸入密碼:0123456 10密碼錯誤！ 11請輸入密碼:

在示例代碼中，flag 變量實際上是一個標志變量，其值將決定著程序是進入密碼錯誤的流程（非 0）還是“密碼正確”的流程（0）。當我們輸入錯誤的字符串 1234567或者 aaaaaaa，程序也都會輸出“密碼正確”。但在輸入 0123456的時候，程序卻輸出“密碼錯誤”，這究竟是為什么呢？

其實，原因很簡單。當調(diào)用 Test() 函數(shù)時，系統(tǒng)將會給它分配一片連續(xù)的內(nèi)存空間，而變量 char buffer[7] 與 int flag 將會緊挨著進行存儲，用戶輸入的字符串將會被復制進 buffer[7] 中。如果這個時候，我們輸入的字符串數(shù)量超過 6 個（注意，有字符串截斷符也算一個），那么超出的部分將破壞掉與它緊鄰著的 flag 變量的內(nèi)容。

當輸入的密碼不是宏定義的 123456時，字符串比較將返回 1 或 -1。我們都知道，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)按照 4 字節(jié)（DWORD）逆序存儲，所以當 flag 為 1 時，在內(nèi)存中存儲的是 0x01000000。如果我們輸入包含 7 個字符的錯誤密碼，如 aaaaaaa，那么字符串截斷符 0x00 將寫入 flag 變量，這樣溢出數(shù)組的一個字節(jié) 0x00 將恰好把逆序存放的 flag 變量改為 0x00000000。在函數(shù)返回后，一旦 main 函數(shù)的 flag 為 0，就會輸出“密碼正確”。這樣，我們就用錯誤的密碼得到了正確密碼的運行效果。

而對于 0123456，因為在進行字符串的大小比較時，它小于 123456，flag的值是 -1，在內(nèi)存中將按照補碼存放負數(shù)，所以實際存儲的不是 0x01000000 而是 0xffffffff。那么字符串截斷后符 0x00 淹沒后，變成 0x00ffffff，還是非 0，所以沒有進入正確分支。

其實，本示例只是用一個字節(jié)淹沒了鄰接變量，導致程序進入密碼正確的處理流程，使設計的驗證功能失效。

盡量顯式地指定數(shù)組的邊界

在 C 語言中，為了提高運行效率，給程序員更大的空間，為指針操作帶來更多的方便，C 語言內(nèi)部本身不檢查數(shù)組下標表達式的取值是否在合法范圍內(nèi)，也不檢查指向數(shù)組元素的指針是不是移出了數(shù)組的合法區(qū)域。因此，在編程中使用數(shù)組時就必須格外謹慎，在對數(shù)組進行讀寫操作時都應當進行相應的檢查，以免對數(shù)組的操作超過數(shù)組的邊界，從而發(fā)生緩沖區(qū)溢出漏洞。

要避免程序因數(shù)組越界所發(fā)生的錯誤，首先就需要從數(shù)組的邊界定義開始。盡量顯式地指定數(shù)組的邊界，即使它已經(jīng)由初始化值列表隱式指定。示例代碼如下所示：

   1int a[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

很顯然，對于上面的數(shù)組 a[]，雖然編譯器可以根據(jù)始化值列表來計算出數(shù)組的長度。但是，如果我們顯式地指定該數(shù)組的長度，例如：

   1int a[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

它不僅使程序具有更好的可讀性，并且大多數(shù)編譯器在數(shù)組長度小于初始化值列表的長度時還會發(fā)生相應警告。

當然，也可以使用宏的形式來顯式指定數(shù)組的邊界（實際上，這也是最常用的指定方法），如下面的代碼所示：

   1#define MAX 10 2… 3int a[MAX]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

除此之外，在 C99 標準中，還允許我們使用單個指示符為數(shù)組的兩段“分配”空間，如下面的代碼所示：

   1int a[MAX]={1,2,3,4,5,[MAX-5]=6,7,8,9,10};

在上面的 a[MAX]數(shù)組中，如果 MAX 大于 10，數(shù)組中間將用 0 值元素進行填充（填充的個數(shù)為 MAX-10，并從 a[5] 開始進行 0 值填充）；如果 MAX 小于 10， [MAX-5]之前的 5 個元素（1，2，3，4，5）中將有幾個被 [MAX-5]之后的 5 個元素（6，7，8，9，10）所覆蓋，示例代碼如下所示：

    1#define MAX 10  2#define MAX1 15  3#define MAX2 6  4int main(void)  5{  6 int a[MAX]={1,2,3,4,5,[MAX-5]=6,7,8,9,10};  7 int b[MAX1]={1,2,3,4,5,[MAX1-5]=6,7,8,9,10};  8 int c[MAX2]={1,2,3,4,5,[MAX2-5]=6,7,8,9,10};  9 int i=0; 10 int j=0; 11 int z=0; 12 printf("a[MAX]：\n"); 13 for(i=0;i14 { 15 printf("a[%d]=%d ",i,a[i]); 16 } 17 printf("\nb[MAX1]：\n"); 18 for(j=0;j19 { 20 printf("b[%d]=%d ",j,b[j]); 21 } 22 printf("\nc[MAX2]：\n"); 23 for(z=0;z24 { 25 printf("c[%d]=%d ",z,c[z]); 26 } 27 printf("\n"); 28 return 0; 29}

運行結(jié)果為：

   1a[MAX]： 2a[0]=1 a[1]=2 a[2]=3 a[3]=4 a[4]=5 a[5]=6 a[6]=7 a[7]=8 a[8]=9 a[9]=10 3b[MAX1]： 4b[0]=1 b[1]=2 b[2]=3 b[3]=4 b[4]=5 b[5]=0 b[6]=0 b[7]=0 b[8]=0 b[9]=0 b[10]=6 b[11]=7 b[12]=8 b[13]=9 b[14]=10 5c[MAX2]： 6c[0]=1 c[1]=6 c[2]=7 c[3]=8 c[4]=9 c[5]=10

對數(shù)組做越界檢查，確保索引值位于合法的范圍之內(nèi)

要避免數(shù)組越界，除了上面所闡述的顯式指定數(shù)組的邊界之外，還可以在數(shù)組使用之前進行越界檢查，檢查數(shù)組的界限和字符串（也以數(shù)組的方式存放）的結(jié)束，以保證數(shù)組索引值位于合法的范圍之內(nèi)。例如，在寫處理數(shù)組的函數(shù)時，一般應該有一個范圍參數(shù)；在處理字符串時總檢查是否遇到空字符‘\0’。

來看下面一段代碼示例：

    1#define ARRAY_NUM 10  2int *TestArray(int num,int value)  3{  4 int *arr=NULL;  5 arr=(int *)malloc(sizeof(int)*ARRAY_NUM);  6 if(arr!=NULL)  7 {  8 arr[num]=value;  9 } 10 else 11 { 12 /*處理arr==NULL*/ 13 } 14 return arr; 15}

從上面的 int*TestArray（int num，int value）函數(shù)中不難看出，其中存在著一個很明顯的問題，那就是無法保證 num 參數(shù)是否越界（即當 num>=ARRAY_NUM的情況）。因此，應該對 num 參數(shù)進行越界檢查，示例代碼如下所示：

    1int *TestArray(int num,int value)  2{  3 int *arr=NULL;  4 /*越界檢查(越上界)*/  5 if(num 6 {  7 arr=(int *)malloc(sizeof(int)*ARRAY_NUM);  8 if(arr!=NULL)  9 { 10 arr[num]=value; 11 } 12 else 13 { 14 /*處理arr==NULL*/ 15 } 16 } 17 return arr; 18}

這樣通過 if（num語句進行越界檢查，從而保證 num 參數(shù)沒有越過這個數(shù)組的上界。現(xiàn)在看起來，TestArray() 函數(shù)應該沒什么問題，也不會發(fā)生什么越界錯誤。

但是，如果仔細檢查，TestArray() 函數(shù)仍然還存在一個致命的問題，那就是沒有檢查數(shù)組的下界。由于這里的 num 參數(shù)類型是 int 類型，因此可能為負數(shù)。如果 num 參數(shù)所傳遞的值為負數(shù)，將導致在 arr 所引用的內(nèi)存邊界之外進行寫入。

當然，你可以通過向 if（num語句里面再加一個條件進行測試，如下面的代碼所示：

   1if(num>=0&&num2{ 3}

但是，這樣的函數(shù)形式對調(diào)用者來說是不友好的（由于 int 類型的原因，對調(diào)用者來說仍然可以傳遞負數(shù)，至于在函數(shù)中怎么處理那是另外一件事情），因此，最佳的解決方案是將 num 參數(shù)聲明為 size_t 類型，從根本上防止它傳遞負數(shù)，示例代碼如下所示：

    1int *TestArray(size_t num,int value)  2{  3 int *arr=NULL;  4 /*越界檢查(越上界)*/  5 if(num 6 {  7 arr=(int *)malloc(sizeof(int)*ARRAY_NUM);  8 if(arr!=NULL)  9 { 10 arr[num]=value; 11 } 12 else 13 { 14 /*處理arr==NULL*/ 15 } 16 } 17 return arr; 18}

獲取數(shù)組的長度時不要對指針應用 sizeof 操作符

在 C 語言中，sizeof 這個其貌不揚的家伙經(jīng)常會讓無數(shù)程序員叫苦連連。同時，它也是各大公司爭相選用的面試必備題目。簡單地講，sizeof 是一個單目操作符，不是函數(shù)。其作用就是返回一個操作數(shù)所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。其中，操作數(shù)可以是一個表達式或括在括號內(nèi)的類型名，操作數(shù)的存儲大小由操作數(shù)的類型來決定。例如，對于數(shù)組 int a[5]，可以使用 sizeof(a)來獲取數(shù)組的長度，使用 sizeof(a[0])來獲取數(shù)組元素的長度。

但需要注意的是，sizeof 操作符不能用于函數(shù)類型、不完全類型（指具有未知存儲大小的數(shù)據(jù)類型，如未知存儲大小的數(shù)組類型、未知內(nèi)容的結(jié)構或聯(lián)合類型、void 類型等）與位字段。例如，以下都是不正確形式：

    1/*若此時max定義為intmax()；*/  2sizeof(max)  3/*若此時arr定義為char arr[MAX]，且MAX未知*/  4sizeof(arr)  5/*不能夠用于void類型*/  6sizeof(void)  7/*不能夠用于位字段*/  8struct S  9{ 10 unsigned int f1 : 1; 11 unsigned int f2 : 5; 12 unsigned int f3 : 12; 13}; 14sizeof(S.f1);

了解 sizeof 操作符之后，現(xiàn)在來看下面的示例代碼：

    1void Init(int arr[])  2{  3 size_t i=0;  4 for(i=0;i<sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);i++)  5 {  6 arr[i]=i;  7 }  8}  9int main(void) 10{ 11 int i=0; 12 int a[10]; 13 Init(a); 14 for(i=0;i<10;i++) 15 { 16 printf("%d\n",a[i]); 17 } 18 return 0; 19}

從表面看，上面代碼的輸出結(jié)果應該是 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，但實際結(jié)果卻出乎我們的意料，如圖 1 所示。

圖 1 示例代碼在 VC++2010 中的運行結(jié)果

是什么原因?qū)е逻@個結(jié)果呢？

很顯然，上面的示例代碼在 void Init(int arr[])函數(shù)中接收了一個 int arr[]類型的形參，并且在main函數(shù)中向它傳遞一個 a[10]實參。同時，在 Init() 函數(shù)中通過 sizeof(arr)/sizeof(arr[0])來確定這個數(shù)組元素的數(shù)量和初始化值。

在這里出現(xiàn)了一個很大問題：由于 arr 參數(shù)是一個形參，它是一個指針類型，其結(jié)果是 sizeof(arr)=sizeof(int*)。在 IA-32 中， sizeof(arr)/sizeof(arr[0])的結(jié)果為 1。因此，最后的結(jié)果如圖 1 所示。

對于上面的示例代碼，我們可以通過傳入數(shù)組的長度的方式來解決這個問題，示例代碼如下：

    1void Init(int arr[],size_t arr_len)  2{  3 size_t i=0;  4 for(i=0;i 5 {  6 arr[i]=i;  7 }  8}  9int main(void) 10{ 11 int i=0; 12 int a[10]; 13 Init(a,10); 14 for(i=0;i<10;i++) 15 { 16 printf("%d\n",a[i]); 17 } 18 return 0; 19}

除此之外，我們還可以通過指針的方式來解決上面的問題，示例代碼如下所示：

    1void Init(int (*arr)[10])  2{  3 size_t i=0;  4 for(i=0;i< sizeof(*arr)/sizeof(int);i++)  5 {  6 (*arr)[i]=i;  7 }  8}  9int main(void) 10{ 11 int i=0; 12 int a[10]; 13 Init(&a); 14 for(i=0;i<10;i++) 15 { 16 printf("%d\n",a[i]); 17 } 18 return 0; 19}

現(xiàn)在，Init() 函數(shù)中的 arr 參數(shù)是一個指向 arr[10]類型的指針。需要特別注意的是，這里絕對不能夠使用 void Init(int(*arr)[])來聲明函數(shù)，而是必須指明要傳入的數(shù)組的大小，否則 sizeof(*arr)無法計算。但是在這種情況下，再通過 sizeof 來計算數(shù)組大小已經(jīng)沒有意義了，因為此時數(shù)組大小已經(jīng)指定為 10 了。