数组元素即使在分配后也有 0 值答案

【问题标题】：Array element has 0 value even after assigning it数组元素即使在分配后也有 0 值
【发布时间】：2021-09-05 08:02:05
【问题描述】：

所以我在 c 中实现了一个堆栈。现在初始堆栈大小为 5，每次达到限制时我都会将其加倍。我把 1 到 20 的值压进去，然后一个一个弹出并打印出来。

这是输出： 20, 19, ..., 7, 0, 5, 4, 3, 2, 1
注意0 而不是6

这里是stack.c：

#define INITIAL_CAPACITY 5

struct Stack
{
    int size; // initial size = 5
    int *data; // dynamically allocated array
    int pointer; // position of the top element
};

struct Stack *create_stack()
{
    int *array = calloc(INITIAL_CAPACITY, sizeof(int));
    struct Stack *stack = malloc(sizeof(struct Stack));

    if (array == NULL || stack == NULL)
    {
        printf("Memory allocation failed in create_stack");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    stack->size = INITIAL_CAPACITY;
    stack->data = array;
    stack->pointer = -1;

    return stack;
}

static void resize(struct Stack *stack)
{
    const int new_size = stack->size * 2;

    stack->data = realloc(stack->data, (sizeof *stack->data) * new_size);

    if (stack->data == NULL)
    {
        printf("Memory allocation failed in the resize function.\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    stack->size = new_size;
}

void push(struct Stack *stack, int element)
{
    int *stack_data = stack->data; // --> I think the bug is here
    stack->pointer = stack->pointer + 1;

    if (stack->pointer >= stack->size)
    {
        printf("Stack is full. Expanding the stack size.");
        resize(stack);
    }

    assert(stack->pointer < stack->size);

    stack_data[stack->pointer] = element;
}

但是当我将推送功能更改为此一切正常并且输出正确时：

void push(struct Stack *stack, int element)
{
    stack->pointer = stack->pointer + 1;

    if (stack->pointer >= stack->size)
    {
        printf("Stack is full. Expanding the stack size.");
        resize(stack);
    }

    assert(stack->pointer < stack->size);

    (stack->data)[stack->pointer] = element; // <--- changed line
}

现在输出如何正确？发生了什么？

【问题讨论】：

什么是未公开的resize？它会改变stack->data吗？请发帖Minimal, Reproducible Example。
int pointer; 是一个令人困惑的名字......因为它不是一个指针。我建议将变量命名为size 和capacity。请注意，如果一个calloc 或malloc 在create_stack 中失败，您将泄漏另一个的内存。
@MikeCAT 我添加了 resize 和 create_stack 函数
resize 可以更改stack->data 的值。如果您使用保存在stack_data 中的旧值，那将是一个问题。
永远不要这样做pointer = realloc(pointer, ...)！重新分配可能会失败，然后在旧内存仍然有效的情况下返回一个空指针——但是您会通过覆盖指针而丢失对的引用，如果您没有另一个指针，则表示内存泄漏。更好：tmp = realloc(pointer, ...); if(tmp) { pointer = tmp; } else { /* some appropriate error handling */ }.

标签： c pointers stack undefined-behavior realloc

【解决方案1】：

问题来了：

void push(struct Stack *stack, int element)
{
    int *stack_data = stack->data;
    stack->pointer = stack->pointer + 1;

    if (stack->pointer >= stack->size)
    {
        printf("Stack is full. Expanding the stack size.");
        resize(stack);
        // stack_data still points to old memory allocation
    }

    assert(stack->pointer < stack->size);

    stack_data[stack->pointer] = element;
}

由于您在resize() 中修改了stack->data，因此您保存的指针stack_data 可能指向resize() 之后的无效内存位置。您从未将新的stack->data 分配给stack_data，而是直接使用后者，这会导致内存访问冲突。

您的固定版本一直使用stack->data，因此上述问题不再存在。

【讨论】：

【解决方案2】：

指针stack->data可能被更新

stack->data = realloc(stack->data, (sizeof *stack->data) * new_size);

在resize 函数中。但是，它并没有反映到变量stack_data 上，它仍然指向旧的可能失效的地方。

要使该功能起作用，您必须在调用resize 之后分配给stack_data。

void push(struct Stack *stack, int element)
{
    stack->pointer = stack->pointer + 1;

    if (stack->pointer >= stack->size)
    {
        printf("Stack is full. Expanding the stack size.");
        resize(stack);
    }

    int *stack_data = stack->data; // move this after the call of resize()

    assert(stack->pointer < stack->size);

    stack_data[stack->pointer] = element;
}

【讨论】：

你的意思是：resize调用后赋值给"stack_data"

【解决方案3】：

当你调用函数realloc就像在这个语句中

stack->data = realloc(stack->data, (sizeof *stack->data) * new_size);

返回的指针不必与用作函数参数的指针中存储的地址相同。

因此在函数push的第一个实现中，指针stack_data在初始化后

int *stack_data = stack->data; // --> I think the bug is here

调用函数resize后不一定等于指针stack->data的值

resize(stack);

因此声明

stack_data[stack->pointer] = element;

通常可以调用未定义的行为，因为可以使用指向已释放内存的指针 stack_data。

在函数push的第二个实现中，使用了与数据成员stack->data中存储的重新分配内存相同的地址

(stack->data)[stack->pointer] = element;

所以第二个函数实现没有第一个函数实现中存在的错误。

注意push 和resize 函数不应该发出任何消息。决定是否输出消息的是函数的调用者。所以这个函数应该有一个方法来报告它们是否成功。

函数可以通过以下方式定义

static int resize(struct Stack *stack)
{
    const int new_size = stack->size * 2;

    int *tmp = realloc(stack->data, (sizeof *stack->data) * new_size);

    int success = tmp != NULL;
    
    if ( success )
    {
        stack->data = tmp;
        stack->size = new_size;
    }
    
    return success;
}

int push(struct Stack *stack, int element)
{
    stack->pointer = stack->pointer + 1;

    int success = stack->pointer < stack->size;
    
    if ( !success )
    {
        success = resize( stack );
    }

    if ( success ) stack->data[stack->pointer] = element;
    
    return success;
}

【讨论】：

【解决方案4】：

问题在于您在本地使用stack_data。请注意，realloc 完全可以更改整个内存区域。从手册页：

如果指向的区域被移动，则执行 free(ptr)。

当您调用resize（因此调用realloc）时，stack->data 的内存区域可能已更改位置。如果是这样，当您从push 中的resize 返回时，stack_data 不再指向有效的内存区域，事实上，访问该freed 内存会调用未定义的行为。在那里使用本地确实没有意义，只需将push更改为

void push(struct Stack *stack, int element)
{
    stack->pointer = stack->pointer + 1;

    if (stack->pointer >= stack->size)
    {
        printf("Stack is full. Expanding the stack size.\n");
        resize(stack);
        // stack->data might point somewhere entirely different now.
    }

    assert(stack->pointer < stack->size);
    // access stack->data directly, no need for a local
    stack->data[stack->pointer] = element;
}

我创建了一个mre，它可能说明了这个问题（在 OP 中省略了一些部分）。 realloc 没有来改变内存区域，所以你只会看到你的错误 if 发生：https://godbolt.org/z/4nEoM65Yc

【讨论】：