2024.12.26 os lab3
2024.12.26 os lab3
原代码
地址：https://github.com/BUPT-OS/easy_lab/tree/lab3
运行未修改的代码，并且注释掉cout时发生错误：
malloc(): corrupted top size
如果不注释cout，可以正常运行
1.不注释 cout 时堆内存的详细分析
1. 程序启动阶段
- 在程序启动时，堆的初始状态为空，堆顶指针位于堆的起始位置。
- 当程序第一次需要在堆上分配内存时，堆顶会向上增长（通常从低地址向高地址）。
2. 第一处堆分配：cout 调用
cout << "A magic print! If you comment this, the program will break." << endl;
cout被调用时，C++ 标准库会在堆上分配一个缓冲区，用于存储待输出的字符串内容。
缓冲区大小：在常见的实现中（如 GNU libstdc++），这个缓冲区的默认大小为 1024 字节。
分配位置：此时缓冲区位于堆的最底部，是堆中的第一个分配块。
堆布局（堆顶向高地址增长）：
+-------------------+<-- 堆底
| cout 缓冲区 (1024) |
+-------------------+
3. 第二处堆分配：double_array 函数调用
int **result = new int*[8];
在 double_array函数中，result 被分配在堆上。它是一个指针数组，用于存储指向 matrix 中行的指针。
分配大小：8 * sizeof(int*)，假设指针大小为 8 字节，则总大小为 64 字节。
分配位置：由于堆是按顺序分配的，result 的内存块紧跟在 cout 缓冲区之后。
堆布局：
+-------------------+<-- 堆底
| cout 缓冲区 (1024) |
+-------------------+
| result (64) |
+-------------------+
4. 越界访问的堆内存情况
在 double_array 函数中，存在以下越界问题：
for (int i = 0; i < n; ++i) {
result[i] = matrix[i];
}
result 仅分配了 8 个指针的空间（new int*[8]），但代码试图访问 result[0] 到 result[63]（共 64 个）。越界访问后，result的内容会覆盖 cout缓冲区的部分内存：result[8] 到 result[63] 的内容会覆盖 cout 缓冲区中第 64 字节后的数据。因为 cout 缓冲区仍是已分配的内存，访问它不会触发段错误。
5. 第三处堆分配：在主函数中的 matrix 静态分配
int matrix[array_number][array_number];
matrix 是一个静态数组，分配在全局内存区域（通常位于数据段）。由于 matrix 的内存地址在堆之外，result[i] = matrix[i]; 操作不会触发段错误，即使 result 越界。
6. 输出数据阶段
在主函数中，遍历 result 并输出数据：
for (int i = 0; i < array_number; ++i) {
cout << "print address of result[" << i << "] " << &result[i][0] << endl;
for (int j = 0; j < array_number; j++) {
result[i][j] = j;
cout << "print content of result[" << i << "][" << j << "] " << result[i][j] << endl;
}
}
在 cout 输出时，cout 缓冲区的内容可能已被越界的 result 写入所覆盖，但这不会立即引发错误。覆盖的内容可能只是错误输出，但不会导致程序崩溃。
堆内存最终布局（带越界覆盖的情况）
-
初始分配：
cout缓冲区+-------------------+ <-- 堆底 | cout 缓冲区 (1024) | +-------------------+ -
分配
result并发生越界覆盖+-------------------+ <-- 堆底 | result (覆盖部分) | | 未被访问部分 | <-- result[8] 开始覆盖 +-------------------+
由于越界覆盖未触及未分配的非法内存（仍在已分配的 cout 缓冲区范围内），程序避免了段错误。
2. 原代码中导致错误的原因
2.1 堆内存分配不足
int **result = new int*[8];
分配的 result 指针数组大小仅为 8，但程序中访问了 result[0] 到 result[63]，显然越界。如果没有 cout 创建的缓冲区，result 的越界可能直接访问未分配或非法的内存区域，导致段错误或堆损坏。
2.2 注释掉 cout 导致未定义行为
当 cout 的第一处调用被注释掉后，堆上不再创建缓冲区，导致 result 的越界访问破坏了堆的关键结构。如果保留 cout，堆的分配顺序发生了变化，result 的越界行为可能恰好访问到 cout 的缓冲区或未使用的内存区域，从而掩盖了潜在的错误。
3. 解决问题的根本方法
原代码依赖 cout 来掩盖问题是极其不可靠的，正确的方法应当是修复代码中的根本性错误：
正确分配内存大小：
int **result = new int*[n]; // n = 64
避免堆内存越界： 确保对指针数组的访问范围在合法区域内。
解决方案
调整内存分配大小： 确保 result 指针数组的大小与实际访问范围一致：
int **result = new int*[n];
#include <iostream>
using namespace std;
#define array_number 64
int matrix[array_number][array_number];
int **double_array(size_t n) {
// 修复: 确保分配大小为 n
int **result = new int*[n];
for (int i = 0; i < n; ++i) {
result[i] = matrix[i]; // 浅拷贝，指向 matrix[i]
for (int j = 0; j < n; ++j) {
result[i][j] = j; // 初始化 matrix[i][j]
}
}
return result;
}
int main() {
// 修复: 注释掉 cout 语句不再影响执行
// cout << "A magic print! If you comment this, the program will break." << endl;
int **result = double_array(array_number);
for (int i = 0; i < array_number; ++i) {
cout << "print address of result[" << i << "] " << result[i] << endl;
for (int j = 0; j < array_number; ++j) {
cout << "print content of result[" << i << "][" << j << "] " << result[i][j] << endl;
}
}
// 修复: 仅释放动态分配的 result 数组
delete[] result;
return 0;
}
代码说明
-
动态内存分配调整：
int **result = new int*[n];分配大小为
n，避免越界访问。
结果与总结
修复后程序正常运行，解决了以下问题：避免越界访问：通过正确分配内存，确保访问合法。通过此次修复，理解了内存管理的重要性。
