在 C 中确定正确的预定义数组大小？

Question

在下面的代码中，我将数组大小设置为 20。在 Valgrind 中，代码测试干净。但是，一旦我将大小更改为 30，就会出现错误（如下所示）。让我困惑的部分是我可以将值更改为 40 并且错误消失了。改成50，又报错了。然后60个测试干净等等。一直这样下去。所以我希望有人能够向我解释这一点。因为尽管我尽了最大的努力来解决它，但它对我来说并不是很清楚。这些错误很难查明，因为代码看起来都是有效的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct record {
    int number;
    char text[30];
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *file = fopen("testfile.bin", "w+");
    if (ferror(file)) {
        printf("%d: Failed to open file.", ferror(file));
    }

    struct record rec = { 69, "Some testing" };

    fwrite(&rec, sizeof(struct record), 1, file);
    if (ferror(file)) {
        fprintf(stdout,"Error writing file.");
    }

    fflush(file);
    fclose(file);
}

Valgrind 错误：

valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all\
                --track-origins=yes ./fileio
==6675== Memcheck, a memory error detector
==6675== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==6675== Using Valgrind-3.14.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==6675== Command: ./fileio
==6675== 
==6675== Syscall param write(buf) points to uninitialised byte(s)
==6675==    at 0x496A818: write (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48FA85C: _IO_file_write@@GLIBC_2.2.5 (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48F9BBE: new_do_write (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48FB9D8: _IO_do_write@@GLIBC_2.2.5 (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48F9A67: _IO_file_sync@@GLIBC_2.2.5 (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48EEDB0: fflush (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x109288: main (fileio.c:24)
==6675==  Address 0x4a452d2 is 34 bytes inside a block of size 4,096 alloc'd
==6675==    at 0x483777F: malloc (vg_replace_malloc.c:299)
==6675==    by 0x48EE790: _IO_file_doallocate (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48FCBBF: _IO_doallocbuf (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48FBE47: _IO_file_overflow@@GLIBC_2.2.5 (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48FAF36: _IO_file_xsputn@@GLIBC_2.2.5 (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x48EFBFB: fwrite (in /usr/lib/libc-2.28.so)
==6675==    by 0x10924C: main (fileio.c:19)
==6675==  Uninitialised value was created by a stack allocation
==6675==    at 0x109199: main (fileio.c:11)
==6675== 
==6675== 
==6675== HEAP SUMMARY:
==6675==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==6675==   total heap usage: 2 allocs, 2 frees, 4,648 bytes allocated
==6675== 
==6675== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==6675== 
==6675== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==6675== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

Answer 1

问题在于结构中有填充以使int a在内存中始终对齐4，即使在struct records 的数组中也是如此。现在，20+4 可以被 4 整除，40+4 和 60+4 也是如此。但 30+4 和 50+4 不是。因此需要添加 2 个填充字节以使 sizeof (struct record) 可被 4 整除。

当您运行数组大小为 34 的代码时，sizeof (struct record) == 36，并且字节 35 和 36 包含不确定的值 - 即使 struct record 已完全初始化。更糟糕的是，写入不确定值的代码可能会泄露敏感信息——Heartbleed bug 就是一个很好的例子。

解决方案实际上是不使用fwrite编写结构。而是单独编写成员 - 这也提高了可移植性。也没有太大的性能差异，fwrite 缓冲 写入，fread 也是如此。

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附：通往地狱的道路上铺满了structs，你想像泛型代码中的瘟疫一样避免它们。

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附言ferror(file) 几乎肯定不会在 fopen 之后为真 - 在正常失败中 fopen 将返回 NULL 和 ferror(NULL) 可能会导致崩溃。

Answer 2

[编辑]

我的回答与 OP 代码中的一个弱点有关，但 Valgrind write(buf) points to uninitialized byte(s) 是由于其他人回答的其他原因。

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当打开失败时，ferror(file) 是未定义的行为（UB）。

if (ferror(file)) 不是确定开放成功的正确测试。

FILE *file = fopen("testfile.bin", "w+");
// if (ferror(file)) {
//    printf("%d: Failed to open file.", ferror(file));
// }
if (file == NULL) {
    printf("Failed to open file.");
    return -1;  // exit code, do not continue
}

我没有看到其他明显的错误。

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ferror(file) 用于测试 I/O 的结果，而不是打开文件。

Answer 3

我最初误解了 valgrind 的输出，所以 @chux 值得接受。不过，我会尽力整理出最好的答案。

检查错误

第一个错误（我没有立即考虑的那个）是检查fopen(3) 和ferror(3) 返回的值。 fopen(3) 调用在错误时返回 NULL（并设置 errno），因此检查 NULL 和 ferror(3) 是错误的。

序列化文件结构。

通过初始化，您可以编写结构的所有字段，但不会初始化它所覆盖的所有内存。例如，您的编译器可能会在结构中保留一些填充，以便在访问数据时获得更好的性能。当您在文件中写入整个结构时，实际上是在将未初始化的数据传递给 fwrite(3) 函数。

通过改变数组的大小可以改变 Valgrind 的行为。这可能是因为编译器改变了结构在内存中的布局，并且使用了不同的填充。

尝试用memset(&rec, 0, sizeof(rec)); 擦除rec 变量，Valgrind 应该停止抱怨。不过，这只会解决症状：由于您正在序列化二进制数据，因此您应该将struct record 标记为__attribute__((packed))。

初始化内存

你原来的初始化是好的。

另一种初始化数据的方法是使用strncpy(3)。 Strncpy 将接受指向要写入的目标的指针、指向源内存块（应从中获取数据）的指针和可用的写入大小作为参数。

通过使用strncpy(&rec.text, "hello world", sizeof(rec.text)，您可以在rec.text 缓冲区上写入“hello world”。但是要注意字符串的终止：strncpy 不会写超出给定的大小，如果源字符串比那个长，就不会有任何字符串终止符。

strncpy可以安全使用如下

strncpy(&rec.text, "hello world", sizeof(rec.text) - 1);
rec.text[sizeof(rec.text) - 1] = '\0';

第一行将“hello world”复制到目标字符串。 sizeof(rec.text) - 1 作为大小传递，因此我们为 \0 终止符留出了空间，它被明确写为最后一个字符，以涵盖 sizeof(rec.text) 比“hello world”短的情况。

挑剔

最后，错误通知应该发送到stderr，而stdout 用于结果。