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(chǎn)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：

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1. 未初始化的變量

程序啟動時，系統(tǒng)會為其分配一塊內存以供存儲數(shù)據(jù)。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(huán)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(guī)范中，系統(tǒng)并不會初始化變量。

看一下這個使用了若干變量和兩個數(shù)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(tǒng)內存中的隨機值作為初始值。在我的 Linux 系統(tǒng)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(shù)組中，大多數(shù)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(tǒng)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(shù)組越界

C 語言中，數(shù)組索引從零開始。這意味著對于長度為 10 的數(shù)組，索引是從 0 到 9;長度為 1000 的數(shù)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(shù)組，產(chǎn)生了“大小差一”off by one錯誤。在長度為 5 的數(shù)組中，程序員在索引“5”處使用的值，實際上并不是數(shù)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(shù)組無關。

這是一個數(shù)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(shù)組，但卻引用了該范圍之外的數(shù)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(shù)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(shù)組時，始終要記得追蹤數(shù)組大小。將數(shù)組大小存儲在變量中;不要對數(shù)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(shù)組，卻忘記更改硬編碼的數(shù)組長度時，程序就可能會發(fā)生數(shù)組越界。

3. 字符串溢出

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

因此，與數(shù)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(shù)讀取數(shù)據(jù)是一種很容易發(fā)生字符串溢出的行為方式。gets 函數(shù)非常危險，因為它不知道在一個字符串中可以存儲多少數(shù)據(jù)，只會機械地從用戶那里讀取數(shù)據(jù)。如果用戶輸入像 foo 這樣的短字符串，不會發(fā)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(shù)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(shù)據(jù)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(zhèn) 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(qū)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(qū)域。注意，var1 和 var2 的值不再是起始的 1 和 2。

避免使用 gets 函數(shù)，改用更安全的方法來讀取用戶數(shù)據(jù)。例如，getline 函數(shù)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(fā)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(shù)為數(shù)組和字符串分配內存，該函數(shù)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(shù)釋放內存，該函數(shù)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(shù)。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(shù)時出現(xiàn)戲劇性的失?。?/p>

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(shù)組或字符串上多次調用 free。將 malloc 和 free 函數(shù)定位在同一個函數(shù)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(shù)中為一副牌分配內存，然后在其他函數(shù)中使用這副牌來玩游戲。記得在主函數(shù)，而不是其他函數(shù)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(shù)據(jù)存儲方式。例如，你可以將程序的配置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)生什么呢?

在 C 語言中讀取文件，首先要用 fopen 函數(shù)打開文件，該函數(shù)會返回指向文件的流指針。你可以結合其他函數(shù)，使用這個指針來讀取數(shù)據(jù)，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(shù)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：

#include <stdio.h> 
int 
main() 
{ 
  FILE *pfile; 
  int ch; 
  puts("Open the FILE.TXT file ..."); 
  pfile = fopen("FILE.TXT", "r"); 
  /* you should check if the file pointer is valid, but we skipped that */ 
  puts("Now display the contents of FILE.TXT ..."); 
  while ((ch = fgetc(pfile)) != EOF) { 
    printf("<%c>", ch); 
  } 
  fclose(pfile); 
  /* done */ 
  puts("Ok"); 
  return 0; 
} 

當你運行這個程序時，第一次調用 fgetc 會失敗，程序會立即中止：

Open the FILE.TXT file ... 
Now display the contents of FILE.TXT ... 
Segmentation fault (core dumped) 

始終檢查文件指針以確保其有效。例如，在調用 fopen 打開一個文件后，用類似 if (pfile != NULL) 的語句檢查指針，以確保指針是可以使用的。

人都會犯錯，最優(yōu)秀的程序員也會產(chǎn)生編程錯誤。但是，遵循上面這些準則，添加一些額外的代碼來檢查這五種類型的錯誤，就可以避免最嚴重的 C 語言編程錯誤。提前編寫幾行代碼來捕獲這些錯誤，可能會幫你節(jié)省數(shù)小時的調試時間。