（第24章）LinuxC本质中函数接口

本文主要是介绍（第24章）LinuxC本质中函数接口，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、基本概念

（1） 函数接口的作用：

• 函数接口来描述， 即函数名， 参数， 返回值， 只要函数和参数的名字起得合理， 参数和返回值的类型定得准确，
• 至于这个函数怎么用， 调用者单看函数接口就能猜出八九分了。 函数接口并不能表达函数的全部语义， 这时文档就起了重要的补充作用， 函数的文档该写什么， 怎么写， Man Page为我们做了很好的榜样。

（1）初学者不喜欢看Man page的三个原因？

二、strcpy与strncpy

1.通过Man page来分析strcpy和strncpy

（1）NAME和SYNOPSIS

这个Man Page描述了两个函数， strcpy 和 strncpy ， 敲命令 man strcpy 或者 man strncpy 都可以看到这个Man Page。 这两个函数的作用是把一个字符串拷贝给另一个字符串。
 
SYNOPSIS部分给出了这两个函数的原型， 以及要用这些函数需要包含哪些头文件。 参数 dest 、 src 和 n 都加了下划线。
有时候并不想从头到尾阅读整个Man Page， 而是想查一下某个参数的含义， 通过下划线和参数名就能很快找到你关心的部分。

• dest 表示Destination， src 表示Source， 看名字就能猜到是把 src 所指向的字符串拷贝到 dest 所指向的内存空间
• 这一点从两个参数的类型也能看出来， dest 是 char * 型的，而 src 是 const char * 型的， 说明 src 所指向的内存空间在函数中只能读不能改写，而 dest 所指向的内存空间在函数中是要改写的， 显然改写的目的是当函数返回后调用者可以读取改写的结果
• 因此可以猜到 strcpy 函数是这样用的：

char buf[10];
strcpy(buf, "hello");
printf(buf);

（2）DESCRIPTION

拷贝数组的越界问题

• 在文档中强调了 strcpy 在拷贝字符串时会把结尾的 ‘\0’ 也拷到 dest 中， 因此保证了 dest 中是以 ‘\0’ 结尾的字符串。
• 但另外一个要注意的问题是， strcpy 只知道 src 字符串的首地址， 不知道长度， 它会一直拷贝到 ‘\0’ 为止， 所以 dest 所指向的内存空间要足够大， 否则有可能写越界，
• 例如：

char buf[10] = "abcdefghij", str[4] = "hell";
strcpy(buf, str);

• 因为 strcpy 函数的实现者通过函数接口无法得知 src 字符串的长度和 dest 内存空间的大小， 所以“确保不会写越界”应该是调用者的责任。

• 调用者提供的 dest 参数应该指向足够大的内存空间， “确保不会读越界”也是调用者的责任， 调用者提供的 src 参数指向的内存应该确保以 ‘\0’ 结尾。

• 此外， 文档中还强调了 src 和 dest 所指向的内存空间不能有重叠。 凡是有指针参数的C标准库函数基本上都有这条要求， 每个指针参数所指向的内存空间互不重叠， 例如这样调用是不允许的：

• strncpy 的参数 n 指定最多从 src 中拷贝 n 个字节到 dest 中， 换句话说， 如果拷贝到 ‘\0’ 就结束， 如果拷贝到 n 个字节还没有碰到 ‘\0’ ， 那么也结束。

• 调用者负责提供适当的 n 值， 以确保读写不会越界， 比如让 n 的值等于 dest 所指向的内存空间的大小：

char buf[10];
strncpy(buf, "hello world", sizeof(buf));

• 然而这意味着什么呢？ 文档中特别用了Warning指出， 这意味着 dest 有可能不是以 ‘\0’ 结尾的。
• 例如上面的调用， 虽然把 “hello world” 截断到10个字符拷贝至 buf 中， 但 buf 不是以 ‘\0’ 结尾的， 如果再 printf(buf) 就会读越界
• 如果你需要确保 dest 以 ‘\0’ 结束， 可以这么调用：

char buf[10];
strncpy(buf, "hello world", sizeof(buf));
buf[sizeof(buf)-1] = '\0';

• strncpy 还有一个特性， 如果 src 字符串全部拷完了不足 n 个字节， 那么还差多少个字节就补多少个 ‘\0’ ， 但是正如上面所述， 这并不保证 dest 一定以 ‘\0’ 结束， 当 src 字符串的长度大于 n 时， 不但不补多余的 ‘\0’ ， 连字符串的结尾 ‘\0’ 也不拷贝

char buf[10] = "hello";
strcpy(buf, buf+1);

（3）RETURN VALUE，CONFORMING TO，NOTES

• 函数的Man Page都有一部分专门讲返回值的。 这两个函数的返回值都是 dest 指针。 可是为什么要返回 dest 指针呢？
  dest 指针本来就是调用者传过去的， 再返回一遍 dest 指针并没有提供任何有用的信息。
  之所以这么规定是为了把函数调用当作一个指针类型的表达式使用， 比如 printf("%s\n", strcpy(buf, “hello”)) ， 一举两得， 如果 strcpy 的返回值是 void 就没有这么方便了。
• CONFORMING TO部分描述了这个函数是遵照哪些标准实现的。 strcpy 和 strncpy 是C标准库函数， 当然遵照C99标准。
• 以后我们还会看到 libc 中有些函数属于POSIX标准但并不属于C标准， 例如 write(2) 。
• NOTES部分给出一些提示信息。 这里指出如何确保 strncpy 的 dest 以 ‘\0’ 结尾， 和我们上面给出的代码类似， 但由于 n 是个变量， 在执行 buf[n - 1]= ‘\0’; 之前先检查一下 n 是否大于0， 如果 n 不大于0， buf[n - 1] 就访问越界了， 所以要避免。

（4）BUGS， SEE ALSO，COLOPHON

写越界

• BUGS部分说明了使用这些函数可能引起的Bug， 这部分一定要仔细看。 用 strcpy 比用 strncpy 更加不安全， 如果在调用 strcpy 之前不仔细检查 src 字符串的长度就有可能写越界， 这是一个很常见的错误。
• 例如：

void foo(char *str)
{char buf[10];strcpy(buf, str);
...
}

段错误，缓冲区，缓冲区溢出overflow

• str 所指向的字符串有可能超过10个字符而导致写越界， 在第 4 节 “段错误”我们看到过， 这种写越界可能当时不出错， 而在函数返回时出现段错误， 原因是写越界覆盖了保存在栈帧上的返回地址， 函数返回时跳转到非法地址， 因而出错。
• 像 buf 这种由调用者分配并传给函数读或写的一段内存通常称为缓冲区（ Buffer） ， 缓冲区写越界的错误称为缓冲区溢出（ BufferOverflow） 。
• 如果只是出现段错误那还不算严重， 更严重的是缓冲区溢出Bug经常被恶意用户利用， 使函数返回时跳转到一个事先设好的地址， 执行事先设好的指令， 如果设计得巧妙甚至可以启动一个Shell， 然后随心所欲执行任何命令， 可想而知， 如果一个用 root 权限执行的程序存在这样的Bug， 被攻陷了， 后果将很严重。

三、malloc与free

1.全局数组是无法定义成可变长数组VLA的

2.malloc可在进程的堆空间动态分配内存

（1）

• 其实在第 5 节 “虚拟内存管理”提过， 进程有一个堆空间， C标准库函数 malloc 可以在堆空间动态分配内存， 它的底层通过 brk 系统调用向操作系统申请内存。
• 动态分配的内存用完之后可以用 free 释放， 更准确地说是归还给 malloc ， 这样下次调用 malloc 时这块内存可以再次被分配。

（2）

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
返回值： 成功返回所分配内存空间的首地址， 出错返回NULL
void free(void *ptr);

• malloc 的参数 size 表示要分配的字节数， 如果分配失败（ 可能是由于系统内存耗尽） 则返回 NULL
• 由于 malloc 函数不知道用户拿到这块内存要存放什么类型的数据， 所以返回通用指针 void * ， 用户程序可以转换成其它类型的指针再访问这块内存。
• malloc 函数保证它返回的指针所指向的地址满足系统的对齐要求， 例如在32位平台上返回的指针一定对齐到4字节边界， 以保证用户程序把它转换成任何类型的指针都能用。
• 动态分配的内存用完之后可以用 free 释放掉， 传给 free 的参数正是先前 malloc 返回的内存块首地址。
• 举例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
typedef struct {int number;char *msg;
} unit_t;int main(void)
{unit_t *p = malloc(sizeof(unit_t));if (p == NULL){printf("out of memory\n");exit(1);}p->number = 3;p->msg = malloc(20);strcpy(p->msg, "Hello world!");printf("number: %d\nmsg: %s\n", p->number, p->msg);free(p->msg);free(p);p = NULL;
return 0;
}

野指针

内存泄漏Memory Leak

• 上面的例子只有一个简单的顺序控制流程， 分配内存， 赋值， 打印， 释放内存， 退出程序。这种情况下即使不用 free 释放内存也可以， 因为程序退出时整个进程地址空间都会释放， 包括堆空间， 该进程占用的所有内存都会归还给操作系统。
• 但如果一个程序长年累月运行（ 例如网络服务器程序） ， 并且在循环或递归中调用 malloc 分配内存， 则必须有 free 与之配对， 分配一次就要释放一次， 否则每次循环都分配内存， 分配完了又不释放， 就会慢慢耗尽系统内存， 这种错误称为内存泄漏（ Memory Leak） 。
• 另外， malloc 返回的指针一定要保存好， 只有把它传给 free 才能释放这块内存， 如果这个指针丢失了， 就没有办法 free 这块内存了， 也会造成内存泄漏。
• 例如：

void foo(void)
{char *p = malloc(10);...
}

• foo 函数返回时要释放局部变量 p 的内存空间， 它所指向的内存地址就丢失了， 这10个字节也就没法释放了。
• 内存泄漏的Bug很难找到， 因为它不会像访问越界一样导致程序运行错误，少量内存泄漏并不影响程序的正确运行， 大量的内存泄漏会使系统内存紧缺， 导致频繁换页， 不仅影响当前进程， 而且把整个系统都拖得很慢。

（3）malloc(0) 和ree(NULL)

（4） malloc 和 free 的简单实现：基于环形链表

• 示如下， 目的是让读者理解 malloc 和 free 的工作原理。
• libc 的实现比这要复杂得多， 但基本工作原理也是如此。
• 读者只要理解了基本工作原理， 就很容易分析在使用 malloc 和 free 时遇到的各种Bug了。

• 图中白色背景的框表示 malloc 管理的空闲内存块， 深色背景的框不归 malloc 管， 可能是已经分配给用户的内存块， 也可能不属于当前进程， Break之上的地址不属于当前进程， 需要通过 brk 系统调用向内核申请
• 每个内存块开头都有一个头节点， 里面有一个指针字段和一个长度字段， 指针字段把所有空闲块的头节点串在一起， 组成一个环形链表， 长度字段记录着头节点和后面的内存块加起来一共有多长， 以8字节为单位（ 也就是以头节点的长度为单位） 。

四、传入参数与传出参数

这篇关于（第24章）LinuxC本质中函数接口的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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