野指针(深入浅出)

 论一

什么是野指针？
　　一个母亲有两个小孩(两个指针)，一个在厨房，一个在卧室，(属于不同的代码块，其生存期不同)母亲让在厨房的小孩带一块蛋糕(指针指向的对象)给在卧室的小孩，这样在卧室的孩子才肯写作业。但这个在厨房的小孩比较淘气，他在走出厨房时自己将蛋糕吃了，没能带出来。而在卧室的没有吃到蛋糕，所以不肯完成他的作业。结果母亲却不知道卧室的孩子没有吃到蛋糕，还以为作业完了。结果第二天她就被老师召唤到办公室了。事情麻烦了。
　　这样，那个在卧室的孩子就是野指针了，因为他没有得到应得的蛋糕，不能完成母亲交给他的作业。
　　这就是c中所讲的野指针。上面的小剧本不过演示了一种最基本的野指针的形成过程。更容易出现的情形是coder在编码时，大意之下使用了已经free过的指针。
　　对于年轻点的经验欠缺的coder来说是比较容易犯的错误，经验老到的程序员或者慎重采取成对编程的形式避免这种失误，或者使用引用计数器防止形成野指针。
　　总之，在c中，野指针也许性子野，但是控制起来也是有章可循。然而事情在c++中出现了变化。
　　coder们面临更大的麻烦了。c++程序员无可避免的要写很多这样那样的类。谁让c++是面向对象的呢？
　　我们在写类的时候难免要用new给类的数据成员分配内存。这本来没什么，动态分配内存是一种很常见的基本操作，我们在学数据结构时经常这么做，不是么？ 
　　但是伙计，事情并非这么简单。类是一种高级的用户自定义数据类型，看起来和结构、枚举这样的用户自定义类型没啥太大差别。如果你这样认为....？那你会死的很惨。类太复杂了，普通情况下使用类的对象并没有太大的问题，但是，当你要复制一个对象时，问题就来了。
　　比如我们知道，你要用一个对象初始化另一个对象时，c++是按位进行拷贝的，即在目标对象里创建了初始化对象的一个完全相同的拷贝。这在多数情况下已经足够了。但是，当你的类在创建时为每个对象分配内存，也就是说类中有new操作。当你的对象创建好后，类也为对象分配了一块内存。如果你用这个对象去初始化另一个对象时，被初始化的对象和初始化的对象完全一样。这意味着，他们使用同一块内存，而不是重新为被初始化的对象分配内存。
　　这样麻烦就大了。如果一个对象销毁了，那么分配的内存也就销毁了(别忘了，类是有析构函数的，它负责在对象销毁时，释放动态分配的内存。难道你说你不在类中写上析构部分？那么可怜的孩子，那你就走向了另一个深渊，当你的程序运行数小时之后，系统会告诉你，内存不够用了。想象一下把你的程序用在腾讯的服务器上)，另一个对象就残缺不全了，这就像一对连体婴儿，他们共用了一部分器官，心脏或者肝脏。要救活一个，就牺牲了另一个。一个得病了，另一个也要遭殃。
　　可以说，这就是c++中更加变态的野指针。
　　什么？你说我不用对象初始化对象？那么我们会不会将一个对象作为变元传递给函数呢？我们很多时候都这样做。有时我们不得不将对象按值传递给一个函数，但是你要知道，按值传递是什么意思？它的意思就是，把实参的一个拷贝传递给函数。这和刚才的初始化没什么两样，按位拷贝，函数体内的对象与外面的对象共用一块内存，即便在函数中的对象没有对这块内存进行过操作，但是当函数结束时。。。。析构函数将会被调用......
　　还有一种与之相反的情况......， 当你想要把一个在函数内的对象值返回给外面的对象时，这时候，会自动产生一个临时对象，由它容纳函数的返回值，并在函数结束时把结果传给目标。那么这个临时对象迅速的被创建，并被迅速的释放。。。一块内存被释放了两次。其后果是不可预见的。 
　　当你把一个对象的值赋给另一个对象时，如果你没有重载赋值运算符，那么也会导致按位拷贝。最终产生一个野指针(一个隐藏在类内的毒瘤)，或者释放同一块内存多次。 
　　看到了么？害怕了么？是不是感到C++到处都是陷阱呢？不但有陷阱，到处都是危险品。所有c中的疑难问题，到了c++就成了一般问题了。好了不废话了，我们继续讲讲解决之道。
　　对于最后的这种赋值的情况，我们只有通过重载赋值运算符才能解决，也就是避免按位拷贝。
　　至于前面的都属于初始化，概括下来就是三种情况：
　　1.当一个对象初始化另一个对象时，例如在声明中；
　　2.把所创建的对象拷贝(按值)传递给一个函数时；
　　3.生成临时对象时，最常见的就是函数的返回值。
　　解决初始化时的按位拷贝问题，我们通过创建拷贝构造函数来解决。
　　基本的拷贝构造函数形式为：
classname (const classname &o)
{
//body here
}
　　拷贝构造函数就是针对这个问题而设计的。

讨论二

    野指针，也就是指向不可用内存区域的指针。通常对这种指针进行操作的话，将会使程序发生不可预知的错误。 
    “野指针”不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针，因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的，if语句对它不起作用。野指针的成因主要有两种： 
    （1）、指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应当被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存。 
    （2）、指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针。别看free和delete的名字恶狠狠的（尤其是delete），它们只是把指针所指的内存给释放掉，但并没有把指针本身干掉。通常会用语句if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾，此时if语句起不到防错作用，因为即便p不是NULL指针，它也不指向合法的内存块。例： 
char *p = (char *) malloc(100); 
strcpy(p, “hello”); 
free(p); // p 所指的内存被释放，但是p所指的地址仍然不变 
if(p != NULL) // 没有起到防错作用 
strcpy(p, “world”); // 出错 
    另外一个要注意的问题：不要返回指向栈内存的指针或引用，因为栈内存在函数结束时会被释放。

    首先请诸位看以下一段“危险”的C++代码： 
void function( void ) 
{
char* str = new char[100];
delete[] str;
// Do something
strcpy( str, "Dangerous!!" );
}
    之所以说其危险，是因为这是一段完全合乎语法的代码，编译的时候完美得一点错误也不会有，然而当运行到strcpy一句的时候，问题就会出现，因为在这之前，str的空间已经被delete掉了，所以strcpy当然不会成功。对于这种类似的情况，在林锐博士的书中有过介绍，称其为“野指针”。 
    那么，诸位有没有见过安全的“野指针”呢？下面请看我的一段C++程序，灵感来自优快云上的一次讨论。在此，我只需要C++的“类”，C++的其余一概不需要，因此我没有使用任何的C++标准库，连输出都是用printf完成的。 
#include <stdio.h> 
class CTestClass 
{
public:
CTestClass( void );
int m_nInteger;
void Function( void );
};
CTestClass::CTestClass( void ) 
{
m_nInteger = 0;
}
void CTestClass::Function( void ) 
{
printf( "This is a test function.\n" );
}
void main( void ) 
{
CTestClass* p = new CTestClass;
delete p;
p->Function();
}
   OK，程序到此为止，诸位可以编译运行一下看看结果如何。你也许会惊异地发现：没有任何的出错信息，屏幕上竟然乖乖地出现了这么一行字符串： 
This is a test function. 
    奇怪吗？不要急，还有更奇怪的呢，你可以把主函数中加上一句更不可理喻的： 
((CTestClass*)NULL)->Function(); 
    这仍然没有问题！！ 
    我这还有呢，哈哈。现在你在主函数中这么写，倘说上一句不可理喻，那么以下可以叫做无法无天了： 
int i = 888; 
CTestClass* p2 = (CTestClass*)&i;
p2->Function();
    你看到了什么？是的，“This is a test function.”如约而至，没有任何的错误。 
    你也许要问为什么，但是在我解答你之前，请你在主函数中加入如下代码： 
printf( "%d, %d", sizeof( CTestClass ), sizeof( int ) ); 
    这时你就会看到真相了：输出结果是——得到的两个十进制数相等。对，由sizeof得到的CTestClass的大小其实就是它的成员m_nInteger的大小。亦即是说，对于CTestClass的一个实例化的对象（设为a）而言，只有a.m_nInteger是属于a这个对象的，而a.Function()却是属于CTestClass这个类的。所以以上看似危险的操作其实都是可行且无误的。
    现在你明白为什么我的“野指针”是安全的了，那么以下我所列出的，就是在什么情况下，我的“野指针”不安全： 
    （1）在成员函数Function中对成员变量m_nInteger进行操作； 
    （2）将成员函数Function声明为虚函数（virtual）。 
    以上的两种情况，目的就是强迫野指针使用属于自己的东西导致不安全，比如第一种情况中操作本身的m_nInteger，第二种情况中变为虚函数的Function成为了属于对象的函数（这一点可以从sizeof看出来）。 
    其实，安全的野指针在实际的程序设计中是几乎毫无用处的。我写这一篇文章，意图并不是像孔乙己一样去琢磨回字有几种写法，而是想通过这个小例子向诸位写明白C++的对象实例化本质，希望大家不但要明白what和how，更要明白why。李马二零零三年二月二十日作于自宅。 
    关于成员函数CTestClass::Function的补充说明 ：
    （1）这个函数是一个普通的成员函数，它在编译器的处理下，会成为类似如下的代码： 
void Function( const CTestClass * this ) // ① 
{
printf("This is a test function.\n");
}
    那么p->Function();一句将被编译器解释为： 
Function( p ); 
    这就是说，普通的成员函数必须经由一个对象来调用（经由this指针激活②）。那么由上例的delete之后，p指针将会指向一个无效的地址，然而p本身是一个有效的变量，因此编译能够通过。并且在编译通过之后，由于CTestClass::Function的函数体内并未对这个传入的this指针进行任何的操作，所以在这里，“野指针”便成了一个看似安全的东西。
    然而若这样改写CTestClass::Function： 
void CTestClass::Function( void ) 
{
m_nInteger = 0;
}
    那么它将会被编译器解释为： 
void Function( const CTestClass * this ) 
{
this->m_nInteger = 0;
}
    你看到了，在p->Function();的时候，系统将会尝试在传入的这个无效地址中寻找m_nInteger成员并将其赋值为0，剩下的我不用说了——非法操作出现了。 
    至于virtual虚函数，如果在类定义之中将CTestClass声明为虚函数： 
class CTestClass 
{
public:
// ...
virtual void Function( void );
};
    那么C++在构建CTestClass类的对象模型时，将会为之分配一个虚函数表vptr（可以从sizeof看出来）。vptr是一个指针，它指向一个函数指针的数组，数组中的成员即是在CTestClass中声明的所有虚函数。在调用虚函数的时候，必须经由这个vptr，这也就是为什么虚函数较之普通成员函数要消耗一些成本的缘故。以本例而言，p->Function();一句将被编译器解释为： 
(*p->vptr[1])( p ); // 调用vptr表中索引号为1的函数（即Function）③ 
    上面的代码已经说明了，如果p指向一个无效的地址，那么必然会有非法操作。 
备注： 
①关于函数的命名，我采用了原名而没有变化。事实上编译器为了避免函数重载造成的重名情况，会对函数的名字进行处理，使之成为独一无二的名称。 
②将成员函数声明为static，可以使成员函数不经由this指针便可调用。
③vptr表中，索引号0为类的type_info。

讨论三：

先上代码,传说中的腾讯笔试题：
#include 'stdafx.h'  
#include <iostream>
#include <string>
using std::cout;
using std::endl;
class Test
{
public:
Test()
{
a = 9;
delete this;
}
~Test()
{
cout<<'destructor called!'<<endl;
}
int a;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
Test *mytest = new Test(); //mytest的值和this指针的值是一样一样的
cout<<mytest->a<<endl;
return 0;
}
请问运行结果如何？
    常见的回答，程序会报错，通不过编译。或者说编译通过，运行时报错，因为居然Test类的构造函数删除了this指针，相当于调用了Test类的析构函数，对象不再存在，所以访问成员变量a的时候出错。
    实际的结果是，程序可以通过编译，运行时不报错，只不过打印出a的值不是9,而是内存中一个随机垃圾值。
    如果想让程序运行时出错，可以这样写main函数：
Test mytest;
cout<<mytest.a<<endl;
return 0;
    这样mytest是局部对象，内存在栈上分配，delete this试图释放栈上的内存，因此会报错。
    下面的代码演示了这种情况。
int a = 6;
delete &a; //运行时报错
    继续上面的讨论，野指针是指在delete了一个指向动态对象的指针后，没有及时置为NULL，如果对该指针进行解除引用，就会产生垃圾值。
    一个铁的纪律，彻底杜绝野指针（这道题没办法，this不能做左值，况且即使改了this,mytest也是改不了的，不再考虑范围）delete了一个指向动态对象的指针后，及时置为NULL。相应的，对指针进行解除引用前，判断指针是否为NULL。