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即使是最好的程序員也無法完全避免錯誤。這些錯誤可能會引入安全漏洞、導致程序崩潰或產生意外操作，具體影響要取決于程序的運行邏輯。

C 語言有時名聲不太好，因為它不像近期的編程語言(比如 Rust)那樣具有內存安全性。但是通過額外的代碼，一些最常見和嚴重的 C 語言錯誤是可以避免的。下文講解了可能影響應用程序的五個錯誤以及避免它們的方法：

C 語言編程中的五個常見錯誤及對應解決方案

1. 未初始化的變量

程序啟動時，系統會為其分配一塊內存以供存儲數據。這意味著程序啟動時，變量將獲得內存中的一個隨機值。

有些編程環境會在程序啟動時特意將內存“清零”，因此每個變量都得以有初始的零值。程序中的變量都以零值作為初始值，聽上去是很不錯的。但是在 C 編程規范中，系統并不會初始化變量。

看一下這個使用了若干變量和兩個數組的示例程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int
main()
{
int i, j, k;
int numbers[5];
int *array;
puts("These variables are not initialized:");
printf(" i = %d\n", i);
printf(" j = %d\n", j);
printf(" k = %d\n", k);
puts("This array is not initialized:");
for (i = 0; i < 5; i++) {
printf(" numbers[%d] = %d\n", i, numbers[i]);
}
puts("malloc an array ...");
array = malloc(sizeof(int) * 5);
if (array) {
puts("This malloc'ed array is not initialized:");
for (i = 0; i < 5; i++) {
printf(" array[%d] = %d\n", i, array[i]);
}
free(array);
}
/* done */
puts("Ok");
return 0;
}

這個程序不會初始化變量，所以變量以系統內存中的隨機值作為初始值。在我的 Linux 系統上編譯和運行這個程序，會看到一些變量恰巧有“零”值，但其他變量并沒有：

These variables are not initialized:
i = 0
j = 0
k = 32766
This array is not initialized:
numbers[0] = 0
numbers[1] = 0
numbers[2] = 4199024
numbers[3] = 0
numbers[4] = 0
malloc an array ...
This malloc'ed array is not initialized:
array[0] = 0
array[1] = 0
array[2] = 0
array[3] = 0
array[4] = 0
Ok

很幸運，i 和 j 變量是從零值開始的，但 k 的起始值為 32766。在 numbers 數組中，大多數元素也恰好從零值開始，只有第三個元素的初始值為 4199024。

在不同的系統上編譯相同的程序，可以進一步顯示未初始化變量的危險性。不要誤以為“全世界都在運行 Linux”，你的程序很可能某天在其他平臺上運行。例如，下面是在 FreeDOS 上運行相同程序的結果：

These variables are not initialized:
i = 0
j = 1074
k = 3120
This array is not initialized:
numbers[0] = 3106
numbers[1] = 1224
numbers[2] = 784
numbers[3] = 2926
numbers[4] = 1224
malloc an array ...
This malloc'ed array is not initialized:
array[0] = 3136
array[1] = 3136
array[2] = 14499
array[3] = -5886
array[4] = 219
Ok

永遠都要記得初始化程序的變量。如果你想讓變量將以零值作為初始值，請額外添加代碼將零分配給該變量。預先編好這些額外的代碼，這會有助于減少日后讓人頭疼的調試過程。

2. 數組越界

C 語言中，數組索引從零開始。這意味著對于長度為 10 的數組，索引是從 0 到 9;長度為 1000 的數組，索引則是從 0 到 999。

程序員有時會忘記這一點，他們從索引 1 開始引用數組，產生了“大小差一”off by one錯誤。在長度為 5 的數組中，程序員在索引“5”處使用的值，實際上并不是數組的第 5 個元素。相反，它是內存中的一些其他值，根本與此數組無關。

這是一個數組越界的示例程序。該程序使用了一個只含有 5 個元素的數組，但卻引用了該范圍之外的數組元素：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int
main()
{
int i;
int numbers[5];
int *array;
/* test 1 */
puts("This array has five elements (0 to 4)");
/* initalize the array */
for (i = 0; i < 5; i++) {
numbers[i] = i;
}
/* oops, this goes beyond the array bounds: */
for (i = 0; i < 10; i++) {
printf(" numbers[%d] = %d\n", i, numbers[i]);
}
/* test 2 */
puts("malloc an array ...");
array = malloc(sizeof(int) * 5);
if (array) {
puts("This malloc'ed array also has five elements (0 to 4)");
/* initalize the array */
for (i = 0; i < 5; i++) {
array[i] = i;
}
/* oops, this goes beyond the array bounds: */
for (i = 0; i < 10; i++) {
printf(" array[%d] = %d\n", i, array[i]);
}
free(array);
}
/* done */
puts("Ok");
return 0;
}

可以看到，程序初始化了數組的所有值(從索引 0 到 4)，然后從索引 0 開始讀取，結尾是索引 9 而不是索引 4。前五個值是正確的，再后面的值會讓你不知所以：

This array has five elements (0 to 4)
numbers[0] = 0
numbers[1] = 1
numbers[2] = 2
numbers[3] = 3
numbers[4] = 4
numbers[5] = 0
numbers[6] = 4198512
numbers[7] = 0
numbers[8] = 1326609712
numbers[9] = 32764
malloc an array ...
This malloc'ed array also has five elements (0 to 4)
array[0] = 0
array[1] = 1
array[2] = 2
array[3] = 3
array[4] = 4
array[5] = 0
array[6] = 133441
array[7] = 0
array[8] = 0
array[9] = 0
Ok

引用數組時，始終要記得追蹤數組大小。將數組大小存儲在變量中;不要對數組大小進行硬編碼hard-code。否則，如果后期該標識符指向另一個不同大小的數組，卻忘記更改硬編碼的數組長度時，程序就可能會發生數組越界。

3. 字符串溢出

字符串只是特定類型的數組。在 C 語言中，字符串是一個由 char 類型值組成的數組，其中用一個零字符表示字符串的結尾。

因此，與數組一樣，要注意避免超出字符串的范圍。有時也稱之為字符串溢出。

使用 gets 函數讀取數據是一種很容易發生字符串溢出的行為方式。gets 函數非常危險，因為它不知道在一個字符串中可以存儲多少數據，只會機械地從用戶那里讀取數據。如果用戶輸入像 foo 這樣的短字符串，不會發生意外;但是當用戶輸入的值超過字符串長度時，后果可能是災難性的。

下面是一個使用 gets 函數讀取城市名稱的示例程序。在這個程序中，我還添加了一些未使用的變量，來展示字符串溢出對其他數據的影響：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int
main()
{
char name[10]; /* Such as "Chicago" */
int var1 = 1, var2 = 2;
/* show initial values */
printf("var1 = %d; var2 = %d\n", var1, var2);
/* this is bad .. please don't use gets */
puts("Where do you live?");
gets(name);
/* show ending values */
printf("<%s> is length %d\n", name, strlen(name));
printf("var1 = %d; var2 = %d\n", var1, var2);
/* done */
puts("Ok");
return 0;
}

當你測試類似的短城市名稱時，該程序運行良好，例如伊利諾伊州的 Chicago 或北卡羅來納州的Raleigh：

var1 = 1; var2 = 2
Where do you live?
Raleigh
<Raleigh> is length 7
var1 = 1; var2 = 2
Ok

威爾士的小鎮 Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch 有著世界上最長的名字之一。這個字符串有 58 個字符，遠遠超出了 name 變量中保留的 10 個字符。結果，程序將值存儲在內存的其他區域，覆蓋了 var1 和 var2 的值：

var1 = 1; var2 = 2
Where do you live?
Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch
<Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch> is length 58
var1 = 2036821625; var2 = 2003266668
Ok
Segmentation fault (core dumped)

在運行結束之前，程序會用長字符串覆蓋內存的其他部分區域。注意，var1 和 var2 的值不再是起始的 1 和 2。

避免使用 gets 函數，改用更安全的方法來讀取用戶數據。例如，getline 函數會分配足夠的內存來存儲用戶輸入，因此不會因輸入長值而發生意外的字符串溢出。

4. 重復釋放內存

“分配的內存要手動釋放”是良好的 C 語言編程原則之一。程序可以使用 malloc 函數為數組和字符串分配內存，該函數會開辟一塊內存，并返回一個指向內存中起始地址的指針。之后，程序可以使用 free 函數釋放內存，該函數會使用指針將內存標記為未使用。

但是，你應該只使用一次 free 函數。第二次調用 free 會導致意外的后果，可能會毀掉你的程序。下面是一個針對此點的簡短示例程序。程序分配了內存，然后立即釋放了它。但為了模仿一個健忘但有條理的程序員，我在程序結束時又一次釋放了內存，導致兩次釋放了相同的內存：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int
main()
{
int *array;
puts("malloc an array ...");
array = malloc(sizeof(int) * 5);
if (array) {
puts("malloc succeeded");
puts("Free the array...");
free(array);
}
puts("Free the array...");
free(array);
puts("Ok");
}

運行這個程序會導致第二次使用 free 函數時出現戲劇性的失敗：

malloc an array ...
malloc succeeded
Free the array...
Free the array...
free(): double free detected in tcache 2
Aborted (core dumped)

要記得避免在數組或字符串上多次調用 free。將 malloc 和 free 函數定位在同一個函數中，這是避免重復釋放內存的一種方法。

例如，一個紙牌游戲程序可能會在主函數中為一副牌分配內存，然后在其他函數中使用這副牌來玩游戲。記得在主函數，而不是其他函數中釋放內存。將 malloc 和 free 語句放在一起有助于避免多次釋放內存。

5. 使用無效的文件指針

文件是一種便捷的數據存儲方式。例如，你可以將程序的配置數據存儲在 config.dat 文件中。Bash shell 會從用戶家目錄中的 .bash_profile 讀取初始化腳本。GNU Emacs 編輯器會尋找文件 .emacs 以從中確定起始值。而 Zoom 會議客戶端使用 zoomus.conf 文件讀取其程序配置。

所以，從文件中讀取數據的能力幾乎對所有程序都很重要。但是假如要讀取的文件不存在，會發生什么呢?

在 C 語言中讀取文件，首先要用 fopen 函數打開文件，該函數會返回指向文件的流指針。你可以結合其他函數，使用這個指針來讀取數據，例如 fgetc 會逐個字符地讀取文件。

如果要讀取的文件不存在或程序沒有讀取權限，fopen 函數會返回 NULL 作為文件指針，這表示文件指針無效。但是這里有一個示例程序，它機械地直接去讀取文件，不檢查 fopen 是否返回了 NULL：