C/C++返回内部静态成员的陷阱

C/C++返回内部静态成员的陷阱

在我们用C/C++开发的过程中,总是有一个问题会给我们带来苦恼。这个问题就是函数内和函数外代码需要通过一块内存来交互(比如,函数返回字符串),这个问题困扰和很多开发人员。如果你的内存是在函数内栈上分配的,那么这个内存会随着函数的返回而被弹栈释放,所以,你一定要返回一块函数外部还有效的内存。

这是一个让无数人困扰的问题。如果你一不小心,你就很有可能在这个上面犯错误。当然目前有很多解决方法,如果你熟悉一些标准库的话,你可以看到许多各式各样的解决方法。大体来说有下面几种:

1)在函数内部通过malloc或new在堆上分配内存,然后把这块内存返回(因为在堆上分配的内存是全局可见的)。这样带来的问题就是潜在的内存问题。因为,如果返回出去的内存不释放,那么就是memory Leak。或者是被多次释放,从而造成程序的crash。这两个问题都相当的严重,所以这种设计方法并不推荐。(在一些Windows API中,当你调用了一些API后,你必需也要调用他的某些API来释放这块内存)

2)让用户传入一块他自己的内存地址,而在函数中把要返回的内存放到这块内存中。这是一个目前普遍使用的方式。很多Windows API函数或是标准C函数都需要你传入一个buffer和这个buffer的长度。这种方式对我们来说应该是屡见不鲜了。这种方式的好处就是由函数外部的程序来维护这块内存,比较简显直观。但问题就是在使用上稍许有些麻烦。不过这种方式把犯错误的机率减到了最低。

3)第三种方式显得比较另类,他利用了static的特性,static的栈内存一旦分配,那这块内存不会随着函数的返回而释放,而且,它是全局可见的(只要你有这块内存的地址)。所以,有一些函数使用了static的这个特性,即不用使用堆上的内存,也不需要用户传入一个buffer和其长度。从而,使用得自己的函数长得很漂亮,也很容易使用。

这里,我想对第三个方法进行一些讨论。使用static内存这个方法看似不错,但是它有让你想象不到的陷阱。让我们来用一个实际发生的案例来举一个例子吧。

示例

有过socket编程经验的人一定知道一个函数叫:inet_ntoa,这个函数主要的功能是把一个数字型的IP地址转成字符串,这个函数的定义是这样的(注意它的返回值):

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

显然,这个函数不会分配堆上的内存,而他又没有让你传一下字符串的buffer进入,那么他一定使用“返回static char[]”这种方法。在我们继续我们的讨论之前,让我们先了解一下IP地址相关的知识,下面是inet_ntoa这个函数需要传入的参数:(也许你会很奇怪,只有一个member的struct还要放在struct中干什么?这应该是为了程序日后的扩展性的考虑)

struct in_addr {
unsigned long int s_addr;
}

对于IPV4来说,一个IP地址由四个8位的bit组成,其放在s_addr中,高位在后,这是为了方便网络传输。如果你得到的一个s_addr的整型值是:3776385196。那么,打开你的Windows计算器吧,看看它的二进制是什么?让我们从右到左,8位为一组(如下所示)。

11100001   00010111    00010000    10101100

再把每一组转成十进制,于是我们就得到:225   23   16   172, 于是IP地址就是 172.16.23.225。

好了,言归正传。我们有这样一个程序,想记录网络包的源地址和目地地址,于是,我们有如下的代码:

struct in_addr src, des;
........
........
fprintf(fp, "源IP地址<%s>/t目的IP地址<%s>/n", inet_ntoa(src),   inet_ntoa(des));

会发生什么样的结果呢?你会发现记录到文件中的源IP地址和目的IP地址完全一样。这是什么问题呢?于是你开始调试你的程序,你发现src.s_addr和des.s_addr根本不一样(如下所示)。可为什么输出到文件的源和目的都是一样的?难道说是inet_ntoa的bug?

src.s_addr = 3776385196;    //对应于172.16.23.225
des.s_addr = 1678184620;  //对应于172.16.7.100

原因就是inet_ntoa()“自作聪明”地把内部的static char[]返回了,而我们的程序正是踩中了这个陷阱。让我们来分析一下fprintf代码。在我们fprintf时,编译器先计算inet_ntoa(des),于是其返回一个字符串的地址,然后程序再去求inet_ntoa(src)表达式,又得到一个字符串的地址。这两个字符串的地址都是inet_ntoa()中那个static char[],显然是同一个地址,而第二次求src的IP时,这个值的des的IP地址内容必将被src的IP覆盖。所以,这两个表达式的字符串内存都是一样的了,此时,程序会调用fprintf把这两个字符串(其实是一个)输出到文件。所以,得到相同的结果也就不奇怪。

仔细看一下inet_ntoa的man,我们可以看到这句话:The string is returned in a statically allocated buffer,  which  subsequent calls will overwrite. 证实了我们的分析。

小结

让我们大家都扪心自问一下,我们在写程序的过程当中是否使用了这种方法?这是一个比较危险,容易出错的方法。这种陷阱让人防不胜防。想想,如果你有这样的程序:

if ( strcmp( inet_ntoa(ip1), inet_ntoa(ip2) )==0 ) {
…. ….
}

本想判断一下两个IP地址是否一样,却不料掉入了那个陷阱——让这个条件表达式永真。

这个事情告诉我们下面几个道理:

1)慎用这种方式的设计。返回函数内部的static内存有很大的陷阱。
2)如果一定要使用这种方式的话。你就必须严肃地告诉所有使用这个函数的人,千万不要在一个表达式中多次使用这个函数。而且,还要告诉他们,不copy函数返回的内存的内容,而只是保存返回的内存地址或是引用是没用的。不然的话,后果概不负责。
3)C/C++是很危险的世界,如果你不清楚他的话。还是回火星去吧。

附:看过Efftive C++的朋友一定知道其中有一个条款(item 23):不要试图返回对象的引用。这个条款中也对是否返回函数内部的static变量进行了讨论。结果也是持否定态度的。

(全文完)


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好烂啊有点差凑合看看还不错很精彩 (5 人打了分,平均分: 4.80 )
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C/C++返回内部静态成员的陷阱》的相关评论

  1. 唔,返回static变量的接口虽然方便,但是会有这个问题。
    目前还有一种常见的方案,是返回一个带引用计数的内存块,默认计数为0,意味着下一帧这块内存被释放。

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