數(shù)組越界的問題解析

數(shù)組越界問題大家在軟件開發(fā)過程中應(yīng)該都司空見慣了。如果你沒見過，大概率是一個新手，工作經(jīng)驗不足，倒不是說你自己會生產(chǎn)這種 BUG，但有些同事卻可能是 BUG 搬運(yùn)工。

在魚鷹五年的工作開發(fā)過程中，除了在北京剛畢業(yè)那會沒遇到這種隱藏問題（碰到的都是自己生產(chǎn)的 BUG，不過自產(chǎn)自銷，也還行），在深圳的這幾家公司都遇到了數(shù)組越界的問題。

問題一

第一個問題是關(guān)于串口驅(qū)動導(dǎo)致的越界（最終結(jié)果是 hardfault），這個魚鷹在以前的筆記中也反復(fù)強(qiáng)調(diào)了，因為這個問題差點(diǎn)導(dǎo)致自己熬了一個通宵，也是醉了（老代碼的一個 bug）。

當(dāng)然這個問題的解決和當(dāng)時沒有在線調(diào)試環(huán)境（當(dāng)時的 PCB 板子通過串口燒錄代碼，沒有調(diào)試接口，大坑）有很大關(guān)系，否則解決起來會快不少。

當(dāng)然當(dāng)時魚鷹也沒掌握這個方法《BUG 終結(jié)者，現(xiàn)場抓獲！|顛覆認(rèn)知》，否則出現(xiàn)問題時，這種小問題分分鐘定位它。

所以當(dāng)時解決這個問題，全靠玄學(xué)：運(yùn)氣。

否則這個問題不知道要蹂躪魚鷹多少天。

問題二

這個問題在前東家遇到。當(dāng)時的環(huán)境是 boot + app 形式。boot 代碼也是跑了多年的老代碼，從來沒有出現(xiàn)過問題。

直到有一次版本升級，發(fā)現(xiàn)程序不能跳轉(zhuǎn)到 app 正常運(yùn)行（具體細(xì)節(jié)不記得了）。

當(dāng)時有同事懷疑是我當(dāng)時更新的 printf 打印函數(shù)有關(guān)系，因為當(dāng)時的版本更新有這個改動。但魚鷹對自己寫的代碼還是比較有自信的，并且我的 printf 改動和 app 跳轉(zhuǎn)能有什么關(guān)系。

但懷疑到你頭上了，同時魚鷹也經(jīng)常負(fù)責(zé)定位這類疑難雜癥，剛好空閑，那就去瞧瞧看了，證明一下這不是你的問題。

因為問題 100% 復(fù)現(xiàn)，又掌握了那個現(xiàn)場抓獲的技巧，很快就定位到是 boot 的一段代碼申請的棧數(shù)組空間不足，導(dǎo)致被調(diào)用的函數(shù)使用這塊空間時越界了。

類似下面這種：

func2(uint8_t*buff)
{
i=5;
buff[i]= 0;
}
fun1()
{
uint8_t buff[4];
func2(buff);
}

當(dāng)然實(shí)際代碼肯定不可能這么簡單，i 的值是變化的，不可能一眼看出。

這個問題也是導(dǎo)致 hardfault（退出 func2 時，破壞了返回地址）。

看到?jīng)]有，有時候二分法（二分查找有問題的代碼提交）查找問題也不是那么可靠，因為問題可能根本不在新提交的的代碼中。

而下面的問題三也證明了這一點(diǎn)（當(dāng)然不是說二分法沒用，只是不能全靠它作為你的結(jié)果判斷）。

問題三

這個問題是現(xiàn)東家遇到的問題。

自己開發(fā)的一個新模塊，當(dāng)合并到主分支時，發(fā)現(xiàn)開機(jī)必定 hardfault，這讓我百思不得其解。自己新加入的代碼，都沒用到數(shù)組，怎么會hardfault。

我的第一反應(yīng)就是，不是我的鍋。

但問題出現(xiàn)在我合并的過程，也只能由我定位了。還好經(jīng)驗豐富，一天時間+加班幾個小時，總算是定位到了。

這個問題定位有幾個難點(diǎn)：

1、使用 C++

2、使用O2 優(yōu)化，而使用 O0 的方式問題不復(fù)現(xiàn)了（最蛋疼）

3、使用了 map 庫函數(shù)

因此在復(fù)現(xiàn)率很高的情況下，還是花了這么多時間。

但好在順利解決了（這么高的復(fù)現(xiàn)率，定位root case只是時間問題，信心也是 100%）。

簡單來說，是以前的一段代碼在使用 sprintf 時（這里強(qiáng)烈建議用 snprintf），導(dǎo)致棧緩存空間越界，然后導(dǎo)致上一層函數(shù)的局部變量被篡改，而這個局部變量會導(dǎo)致 map 傳入的參數(shù)有問題，最終導(dǎo)致了 hardfault 。

可以看到，雖然根因在一個函數(shù)中，但最終出現(xiàn)問題卻可能在另一個函數(shù)中。

就像犯罪現(xiàn)場，作案現(xiàn)場只有一個（root case），但可能案發(fā)現(xiàn)場并不是作案現(xiàn)場。

因此解決 bug 過程其實(shí)就是警察破案，通過蛛絲馬跡找到第一作案現(xiàn)場，如此才能正確破案。

而這種代碼在工程里面有好幾處.....并且在合入我的代碼之前，運(yùn)行良好。所以，數(shù)組越界也不一定會 hardfault，就看你破壞的是啥了。

為什么？

大家很奇怪，為毛數(shù)據(jù)越界大部分情況下會 hardfault，有時卻不會產(chǎn)生問題。只有思考到更深層的原因，你才能在 BUG 環(huán)繞中有所成長。

這個時候，就看你的基礎(chǔ)扎實(shí)不扎實(shí)了。

這里來個簡單示意函數(shù)（優(yōu)化O0）

void func2()
{
inti= 0;
intbuff[4];
 
 buff[4] = 0;
}
voidfunc1()
{
intj=0;//假設(shè)該局部變量使用r4
func2();
}

?？臻g如下（因為只有 4 個字，編譯器可能 buff[4] 直接使用寄存器了，但為了簡單說明，這里假設(shè) buff 都使用了棧）：

從上圖我們可以知道，進(jìn)入 func2 函數(shù)時，先 push，離開時 pop。

局部變量 i 使用 r4 寄存器，但是?？臻g r4 保存的是 func1 使用的j的值。

因此，當(dāng)我們數(shù)組越界時（一般越界是往高地址，因為數(shù)組索引一般是自加），很容易破壞上一個函數(shù)的?？臻g，在這里破壞的是 j 的值。如果 j 很重要，那么很可能會導(dǎo)致 hardfault 或者其它問題（能引起 hardfault 反而是好事）。

并且這里面還有重要的返回地址 lr，如果這個值被越界破壞，那么大概率都是hardfault，因為你企圖跳轉(zhuǎn)到一個不存在的地址執(zhí)行。

數(shù)組越界是一個很危險的 BUG，能觀察到現(xiàn)象還好，萬一是默默破壞而不能很快被察覺，成為一個隱藏 BUG，那才是最危險的。

那為啥問題三增加別的代碼會觸發(fā)這個 BUG ，修改優(yōu)化等級又會消失呢？

這和編譯器有關(guān)系，有可能你的代碼導(dǎo)致有問題的代碼使用了不同的內(nèi)存布局，從而越界篡改的位置變成了重要的內(nèi)存，因此出現(xiàn)了現(xiàn)象，而優(yōu)化等級對棧內(nèi)存布局更是有很大影響。

另外本篇筆記介紹的局部緩存數(shù)組的越界，實(shí)際上還有全局?jǐn)?shù)組的越界，那種問題相對簡單許多，看 map 文件即可。

因此，操作數(shù)組時，一定要時時刻刻檢測數(shù)組的索引的大小，以防越界。

審核編輯：劉清