bug诞生记——临时变量、栈变量导致的双杀
这是《bug诞生记》的第一篇文章。本来想起个文艺点的名字,比如《Satan(撒旦)来了》,但是最后还是想让这系列的重心放在“bug的产生过程”和“缺失的知识点”上,于是就有了本系列这个稍微中性的名称。(转载请指明出于breaksoftware的csdn博客)
本系列博文的案例将都秉承一个原则——“因知识缺失,而非粗心大意导致”。在实际工作中,粗心大意产生的bug太多了。但这是工作态度或者工作状态导致的,要去解决这个问题,可能会从机制、管理等角度来讲述。但是这不是本系列想讨论的。本系列更想讲述的是一种“无心之过”,即因为相应知识点的缺乏,程序员想当然的做法导致的bug。
这篇我将讲述一个真实发生在工作中的例子。当然实际的代码和逻辑远比下文例子要复杂很多,我只是抽出比较核心的点来分析。至于为什么要这么做?为什么要这么设计?为什么要这种风格?为什么代码不严谨?……等与问题核心无关的疑问,我都将不做辩论。这个“免责声明”也将贯穿本系列所有例子。
下面这段代码用于拼装出一个绝对路径
std::string get_name(const std::string& index) {char name[16] = "Movie";std::string full_name = std::string(name) + index;return full_name;
}int main() {char full_path[32] = "/home/work/";std::string name = get_name("1");const char* ptr_name = name.c_str();strcat(full_path + strlen(full_path), ptr_name);printf(full_path);return 0;
}
它将输出/home/work/Movie1。
目前它还没什么问题,后来发生的逻辑变更:只要返回固定的/home/work/Movie路径就行了。于是程序员的改法是
std::string get_name(/*const std::string& index*/) {char name[16] = "Movie";std::string full_name = std::string(name);// + index;return full_name;
}int main() {char full_path[32] = "/home/work/";std::string name = get_name(/*"1"*/);const char* ptr_name = name.c_str();strcat(full_path + strlen(full_path), ptr_name);printf(full_path);return 0;
}
程序员将之前的代码注释掉了,当然这个行为是非常不好的。
此时一个具有“良知”但是“缺乏知识点”的同事将走上“犯罪”的道路,因为他将抱着“优化代码”的目的去产生了第一个bug。他是这么改的
std::string get_name() {char name[16] = "Movie";return std::string(name);
}int main() {char full_path[32] = "/home/work/";const char* ptr_name = get_name().c_str();strcat(full_path + strlen(full_path), ptr_name);printf(full_path);return 0;
}
- 把注释掉的废弃代码给删掉了。这是值得肯定的。
- 精简了get_name函数,不再以full_name作为返回值,减少了一次std::string类型的构造和释放。这个也是值得肯定的。
- 精简了main函数,删除了std::string name局部变量,试图直接从get_name()获取const char*指针。他的想法是好的,但是这步将导致bug。
这段代码没有经过测试就上线了。因为他和QA都觉得这点小的改动不需要测试。很可惜,自以为是往往要付出代价。因为这段代码的最终执行结果是/home/work,而不是约定的/home/work/Movie。那Movie去哪里了?
问题就出在第8行代码。一般情况下我们认为它可以翻译为下面两行
std::string temp = get_name();
const char* ptr_name = temp.c_str();
如果的确是上面这么翻译的,那也没问题。但是实际上,temp是个行内的临时变量,它脱离了该行就被释放了。我们看下反汇编
const char* ptr_name = get_name().c_str();lea eax,[ebp-148h] push eax call get_name (0851672h) add esp,4 mov dword ptr [ebp-15Ch],eax mov ecx,dword ptr [ebp-15Ch] call std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char> >::c_str (085166Dh) mov dword ptr [ptr_name],eax lea ecx,[ebp-148h] call std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char> >::~basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char> > (08513D9h)
第4行调用了get_name方法,返回的std::string对象指针放在eax中。
第6行将该对象指针放到当前函数栈帧内——即一个临时对象。
第7行又将临时对象地址放到ecx中。ecx在C++编译中,一般用于传递this指针。
第8行对ecx中保存的std::string临时对象的this指针调用了c_str成员方法,得到的const char*地址保存在eax中。
第9行将上一指令返回的const char*地址保存到ptr_name局部变量中,此时ptr_name指向的是std::string临时对象的字符空间地址。它也就在这一刻是该程序员所期望的样子。
第10行和第11行,又通过ecx调用std::string的析构函数。这样保存在[ebp-148h]中的std::string对象指针指向的临时对象被析构,也就意味着第9步得到的指针数据被删除了。
所以const char* ptr_name = get_name().c_str();正确的翻译是
const char* ptr_name = NULL;
{std::string temp = get_name();ptr_name = temp.c_str();
}
最终这个程序员老老实实的把main中那行“精简代码”变成了两行
std::string get_name() {char name[16] = "Movie";return std::string(name);
}int main() {char full_path[32] = "/home/work/"; std::string name = get_name();const char* ptr_name = name.c_str();strcat(full_path + strlen(full_path), ptr_name);printf(full_path);return 0;
}
我想经过这次惊魂实践,这个程序员应该再也不想碰这块代码了。
但是肯定还有其他“有良知”的程序员,他会觉得这代码很不爽——搞什么std::string?转来转去,最终还是用了const char*。
于是他修改如下
const char* get_name() {char name[16] = "Movie";return name;
}int main() {char full_path[32] = "/home/work/"; const char* ptr_name = get_name();strcat(full_path + strlen(full_path), ptr_name);printf(full_path);return 0;
}
- 将get_name方法的返回类型改成了const char*,省去了中间std::string的转换。
- 将main中的std::string全干掉了。
这段代码修改的足够简单了。有人可能会觉得get_name可能可以干掉,直接在main函数中写死路径就行了。我想当时这个程序员保留get_name的原因可能是他预测该函数可能还是存在被定制的可能性。
抛开其他问题,这段程序的执行结果是正确的。相信这个版本的修改者此时内心是澎湃的,因为他觉得他不费吹灰之力,就干了一件好事。可是实际他却挖了一个坑。
这段代码在线上稳定运行了很久,后来随着业务逻辑的增长。一个同学不小心在第8和第9行代码之间插入了一个函数调用,然后这个程序就崩掉了。相信这个同学一定很郁闷,因为他可能仅仅修改了一下函数调用顺序,或者写了一个足够简单到不太可能出错的代码。结果进程崩溃,他要背锅!
为了把问题简单化,我让新插入的代码只干一件事——初始化一个栈上空间。
const char* get_name() {char name[16] = "Movie";return name;
}void satan() {char name[16] = "I am Satan";
}int main() {char full_path[32] = "/home/work/"; const char* ptr_name = get_name();satan();strcat(full_path + strlen(full_path), ptr_name);printf(full_path);return 0;
}
这个程序的输出是/home/work/I am Satan。仅仅加了一个satan函数,就改变了结果?是的。这是由于之前那个做代码修改的同学对栈变量和栈帧不熟悉导致的。
如果要介绍栈变量和栈帧,这个就需要从计算机基础知识讲起。本文当然不会讲的很细,大家可以通过其他渠道获取这些知识。
下面的图只是表意,不是准确表达栈空间清空。但是核心的意思是一致的。
进入main函数时,栈结构如下
红色表示当前活动的栈空间;绿色表示“未知区域”,该区域的数据我们可以认为是“野”的,不可保障的。
进入get_name函数后,栈结构变化如下
get_name的name数组将保存“Movie”。
get_name调用结束,发生退栈行为。于是程序又回到main函数中,其栈结构如下
注意一下,第12行代码已经让ptr_name指向了“野”空间。此时“野”空间数据还没被污染,所以执行结果还是正确的。
然后我们调用了satan函数。进入satan函数后栈结构如下
注意一下,之前get_name的name空间已经被satan的name空间覆盖了。此时它的数据是“I am Satan”。
satan函数结束后,又回到main函数空间,其栈结构如下
我们看到,此时ptr_name还是指向“野”空间。只是此时空间不再是调用get_name时的情况,栈上数据已经被satan函数“污染”了。
所以出现错误的结果是必然的。
这段不到15行的代码经过多个程序员的修改后,仿佛成了一个江湖。其中发生了各种因为“知识点缺乏”而导致的bug。所以如果我们不知道代码最终精确的表达,可能就会写出各种“不经意”的问题。
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