关于std::string出现在_M_dispose发生SIGABRT错误的问题

最新推荐文章于 2024-01-27 06:30:00 发布

原创最新推荐文章于 2024-01-27 06:30:00 发布 · 8.8k 阅读

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#gcc stdstring SEGV

本文深入分析了一种特殊的程序错误，当GCC编译器在使用STL字符串时，在特定条件下会导致内存释放错误。错误源于不正确的结构体对齐设置，导致内存地址计算错误。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

注意：这不是gcc/stl的bug。

例子程序如下：

inc.h

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)

typedef struct {
    char    a1;
    char    a2;
    char    a3;
    char    a4;
} record_t;

main.cc

#include "inc.h"
#include <string>

/*
 * A test program to evaluate the miss use of pragma pack
 * leading to std::string's strange SEGV problem.
 */
int main(int argc, char** argv)
{
    std::string filename("abc.txt");
    std::string::size_type pos = filename.rfind('.');
    std::string prefix = filename.substr(0, pos);
    printf("prefix=%s\n", prefix.c_str());

    return 0;
}

Makefile

CXXFLAGS=-g -O2

all: testpack

.PHONY: all clean

%.o: %.cc
    $(CXX) $(CXXFLAGS) -c -o $@ $<

testpack: main.o
    $(CXX) -o testpack -O2 main.o

clean:
    rm testpack main.o -rf

在linux环境下，gcc3.3.3以上版本，编译运行，会出现以下错误：

prefix=abc
*** glibc detected *** /home/aaa/testpack/testpack: free(): invalid pointer: 0x0000000000601044 ***
======= Backtrace: =========
/lib64/libc.so.6[0x3b7a87247f]
/lib64/libc.so.6(cfree+0x4b)[0x3b7a8728db]
/home/aaa/testpack/testpack(__gxx_personality_v0+0x1c5)[0x4008cd]
/lib64/libc.so.6(__libc_start_main+0xf4)[0x3b7a81d994]
/home/aaa/testpack/testpack(__gxx_personality_v0+0x71)[0x400779]

... (下略)

不加-O2参数，该错误不出现。

重新运行，调试过程：

(gdb) r
Starting program: /home/aaa/testpack/testpack
warning: no loadable sections found in added symbol-file system-supplied DSO at 0x2aaaaaaab000
prefix=abc
*** glibc detected *** /home/aaa/testpack/testpack: free(): invalid pointer: 0x0000000000601044 ***

(gdb) f 7
#7 main (argc=<optimized out>, argv=<optimized out>) at main.cc:15

(gdb) p prefix
$1 = {static npos = 18446744073709551615, _M_dataplus = {<std::allocator<char>> = {<__gnu_cxx::new_allocator<char>> = {<No data fields>}, <No data fields>},
_M_p = 0x601058 "abc"}}

(释放prefix的_M_dataplus指向的区域时出现问题。看一下代码：)

(gdb) f 6
#6 ~basic_string (this=<optimized out>, __in_chrg=<optimized out>) at /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.1.2/../../../../include/c++/4.1.2/bits/basic_string.h:478
478 { _M_rep()->_M_dispose(this->get_allocator()); }

(看一下_M_rep()的实现：)

(gdb) list 281
276
277           _CharT*
278           _M_data(_CharT* __p)
279           { return (_M_dataplus._M_p = __p); }
280
281           _Rep*
282           _M_rep() const
283           { return &((reinterpret_cast<_Rep*> (_M_data()))[-1]); }
284
285           // For the internal use we have functions similar to `begin'/`end'

(看一下_M_data()的实现：）

(gdb) list 273
268
269         private:
270           // Data Members (private):
271           mutable _Alloc_hider      _M_dataplus;
272
273           _CharT*
274           _M_data() const
275           { return _M_dataplus._M_p; }
276

(获取的_Rep*指针应为_M_dataplus._M_p减去一个_Rep结构体大小。看一下_Rep结构体大小：)

(gdb) p sizeof(std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep)
$4 = 20

(看一下这个结构体的详细信息：)

(gdb) ptype std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep
type = struct std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep
        : public std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep_base {
    static const size_t _S_max_size;
    static const char _S_terminal;
    static size_t _S_empty_rep_storage[3];
public:
    static std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep & _S_empty_rep(void);
    bool _M_is_leaked(void) const;
    bool _M_is_shared(void) const;
    void _M_set_leaked(void);
    void _M_set_sharable(void);
    void _M_set_length_and_sharable(unsigned long);
    char * _M_refdata(void);
    char * _M_grab(const std::allocator<char> &, const std::allocator<char> &);
    static std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep * _S_create(unsigned long, unsigned long, const std::allocator<char> &);
    void _M_dispose(const std::allocator<char> &);
    void _M_destroy(const std::allocator<char> &);
    char * _M_refcopy(void);
    char * _M_clone(const std::allocator<char> &, unsigned long);
}
(继承的部份应该没有占空间，看一下基类：)

(gdb) ptype std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep_base
type = struct std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep_base {
    size_t _M_length;
    size_t _M_capacity;
    _Atomic_word _M_refcount;
}

(因为是64位系统，所以前面两个size_t加起来是16位，后面一个_Atomic_word，经过在/usr/include下面grep，发现定义为int型，那么在当前x86_64的ABI下仍为4字节，加起来20字节……等一下！考虑对齐的话，最后一个int应该也占8字节，所以加起来应该是24字节，不是吗？为什么gdb显示20字节？)

(我们来检查一下倒底-24还是-20是这个真正的结构体：)
(gdb) p *(std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep_base*)(0x601058-20)
$9 = {_M_length = 12884901888, _M_capacity = 0, _M_refcount = -1}
(gdb) p *(std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::_Rep_base*)(0x601058-24)
$10 = {_M_length = 3, _M_capacity = 3, _M_refcount = 0}

(很显然我们的prefix存放的"abc"应该是后者。等一下，结尾的'\0'没有占空间？这个应该是分配的时候多分配了1个字节。capacity应该是没有包含terminating zero的。)

因此，该错误的直接原因在于，本程序的std::string在释放时，通过字符串位置计算字符串头部数据(一个共享的string data区域)时，把头部数据的大小搞错了。

再次注意：这肯定不是std::string的bug。你可以看到，inc.h里面有一句#pragma pack(1)，这是相当糟糕的写法。没有#pragma pack(push, 1)和#pragma pop()，造成main.cc在引用时首先包含了这句#pragma pack，然后再引用stl的string头文件。那么在string头文件里面编译进目标文件的代码，会认为sizeof(_Rep_base)是20，而没有包含这个inc.h的代码(libc.so.6)会认为它是24。而stl的实现部份由内联函数直接在exe中展开，部份由libc.so.6预先提供，所以就会造成malloc/free计算出的地址不配对的问题。

关于stl的string为什么要用一块共享的string data实现，可以自行参考相关文档。

最后再次强调一下，这不是gcc的bug，也不是stl的bug，是人为灾害。

本文的目的在于，如果你遇到类似的错误而找不到原因时，可以参考检查。（当然，另外一个更可能的原因是你使用了包含多个gcc版本的动态库，你应当首先排除这个原因）

另外你或许可以从本文中学到一些调试技巧。

[完]