C++ | 源码分析 Why double free?

源码分析 Why double free?

What

前几天，同事让帮忙看一段代码，问为什么程序报错了

free(): double free detected in tcache 2
Aborted (core dumped)

源代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include
#include 
class s_data {
public:
    int a;
    int b;
    int *p;
    s_data() {
        a = 1;
        b = 2;
        p = new int;
        p[0] = 3;
    }
    ~s_data() {
        delete p;
    }
};

int main() {
    std::cout << sizeof(s_data) << " " << sizeof(int) << " " << sizeof(int*) << std::endl;
    s_data t1;
    s_data t2;
    std::vector<s_data> vv;
    vv.push_back(t1);
    vv.emplace_back(t2);
    std::cout << vv[0].a << " " << vv[0].b << " " << vv[0].p[0] << std::endl;
    std::cout << vv[1].a << " " << vv[1].b << " " << vv[1].p[0] << std::endl;
}

Why

一般double free的问题都是释放指针内存导致的，double 就是多次释放了。

而代码中释放的时候，就是在主程序结束的时候，说明有多个指针指向了同一片内存，然后导致了多次释放的问题。

因为有多个指针指向同一片内存，这就是存在指针的复制。

而代码中存在复制的地方就是第27行和第28行，vector 的 push_back 和 emplace_back。

为什么看起来没有问题的push_back，只拷贝了指针的地址？

这就是浅拷贝的发生。

1.浅拷贝 VS 深拷贝

浅拷贝

只复制对象指针，即按位拷贝对象，如果拷贝基本类型，会拷贝基本类型的值；如果拷贝的是内存地址或引用类型，拷贝的是内存地址，并不复制对象本身内容，不开辟新内存，拷贝前后对象共同指向同一块内存。相当于share_ptr 中多个指针共享同一片内存。

深拷贝

深拷贝会创建一个新的对象，该对象与原对象各自拥有独立的内存。

深拷贝时会递归拷贝所有对象属性和数组元素，拷贝属性指向的动态分配内存。

深拷贝比浅拷贝速度慢，且内存开销较大。

如果类没有定义拷贝构造(Copy constructor)函数，编译器会隐式地（隐式表示如果不被使用则不生成）生成Copy constructor 函数，在Copy constructor函数中对成员变量执行类似于memcpy的按位复制。对于指针变量，仅仅复制其内存地址，并不会新开辟内存空间。因此，执行默认拷贝函数后，指针成员变量会指向同一块堆内存。

2.push_back 和 emplace_back

push_back和 emplace_back 都会发生拷贝构造（Copy constructor）的情况，当将元素 push_back 或 emplace_back 到 vector 中去的时候，vector 都要先创建1个该对象，然后通过拷贝构造函数将当前元素赋值给创建出来的对象。

让我们源码见。

push_back 源码

该函数创建一个元素在 vector 的末尾并分配给定的数据

void push_back(const value_type &__x) {
    if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage) {
        // 首先判断容器满没满，如果没满那么就构造新的元素，然后插入新的元素
        _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
                                 __x);
        ++this->_M_impl._M_finish; // 更新当前容器内元素数量
    } else
        // 如果满了，那么就重新申请空间，然后拷贝数据，接着插入新数据 __x
        _M_realloc_insert(end(), __x);
}

// 如果 C++ 版本为 C++11 及以上（也就是从 C++11 开始新加了这个方法），使用 emplace_back() 代替
#if __cplusplus >= 201103L
void push_back(value_type &&__x) {
    emplace_back(std::move(__x));
}
#endif

// __x 要添加的数据。
// 这是典型的堆栈操作。 
  void
  push_back(const value_type& __x)
  {
// 首先判断容器是否有剩余空间，如果不够，则先增加空间，然后尾部构造元素
if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage)
  {
    // 空间不够就扩容
    _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GROW(1);
    _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
                 __x);
    ++this->_M_impl._M_finish; // 调整水位高度
    _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GREW(1);
  }
else // 如果有则构造新的元素，然后尾部插入新的元素
  _M_realloc_insert(end(), __x);
  }

#if __cplusplus >= 201103L
  void
  push_back(value_type&& __x)
  { emplace_back(std::move(__x)); } // C++ 11后 push_back就是 emplace_back

• 当容器空间不够时:

  容器就开始扩容，扩容大小为 $max(旧长度\times 2，(旧长度+n个新增元素)\times 2)$

  使用 _Alloc_traits::construct创建一个对象，看下源码

        template<typename _Tp, typename... _Args>
  	static auto construct(_Alloc& __a, _Tp* __p, _Args&&... __args)
  	noexcept(noexcept(_S_construct(__a, __p,
  				       std::forward<_Args>(__args)...)))
  	-> decltype(_S_construct(__a, __p, std::forward<_Args>(__args)...))
  	{ _S_construct(__a, __p, std::forward<_Args>(__args)...); }
  
  

  主要函数是：_S_construct(__a, __p, std::forward<_Args>(__args)...);

  其中std::forward<_Args>(__args)...)函数的作用是将__t对象转换为 目标__Tp对象

    template<typename _Tp>
      constexpr _Tp&&
      forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
      {
        static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"
  		    " substituting _Tp is an lvalue reference type");
        // 将 __T 转换为 _Tp对象
        return static_cast<_Tp&&>(__t);
      }
  

  然后构造出的对象传入 _S_construct构造函数，该构造函数作用很清晰，将forward构造出来的对象，在__p位置上创建出1个新的对象，然后通过_Tp拷贝构造函数传递给 该位置上新的_Tp对象。

    template<typename _Tp, typename... _Args>
  static
  _Require<__and_<__not_<__has_construct<_Tp, _Args...>>,
                 is_constructible<_Tp, _Args...>>>
  _S_construct(_Alloc&, _Tp* __p, _Args&&... __args)
  noexcept(std::is_nothrow_constructible<_Tp, _Args...>::value)
  { ::new((void*)__p) _Tp(std::forward<_Args>(__args)...); } // 就是拷贝构造函数！
  

• 当容器空间充足时:

  此时在vector数据尾部插入 __x： _M_realloc_insert(end(), __x);

  #if __cplusplus >= 201103L
    template<typename _Tp, typename _Alloc>
      template<typename... _Args>
        void
        vector<_Tp, _Alloc>::
        _M_realloc_insert(iterator __position, _Args&&... __args)
  #else
    template<typename _Tp, typename _Alloc>
      void
      vector<_Tp, _Alloc>::
      _M_realloc_insert(iterator __position, const _Tp& __x)
  #endif
      {
        const size_type __len =
  	_M_check_len(size_type(1), "vector::_M_realloc_insert");
        pointer __old_start = this->_M_impl._M_start;
        pointer __old_finish = this->_M_impl._M_finish;
        const size_type __elems_before = __position - begin();
        pointer __new_start(this->_M_allocate(__len));
        pointer __new_finish(__new_start);
        __try
  	{
  	  _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, // 调用 construct 拷贝构造函数
  				   __new_start + __elems_before,
  #if __cplusplus >= 201103L
  				   std::forward<_Args>(__args)...); // 通过 forward 转换参数为目标对象
  #else
  				   __x);
  #endif
  	  __new_finish = pointer();
  
  	... // 省略很多行
      
  	std::_Destroy(__old_start, __old_finish, _M_get_Tp_allocator());
        _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_REINIT;
        _M_deallocate(__old_start,
  		    this->_M_impl._M_end_of_storage - __old_start);
        this->_M_impl._M_start = __new_start;
        this->_M_impl._M_finish = __new_finish;
        this->_M_impl._M_end_of_storage = __new_start + __len;
      }
  

  这里看源码，还是通过_Alloc_traits::construct拷贝构造函数创建新对象

结论：

源码看到这里，相比大家都能看出来，push_back(xxx)所做的工作就是在vector 的适当地方，创建1个新对象，然后将 XXX对象通过拷贝构造函数传递给新对象。

emplace_back 源码

#if __cplusplus >= 201103L
  template<typename _Tp, typename _Alloc>
    template<typename... _Args>
#if __cplusplus > 201402L
      typename vector<_Tp, _Alloc>::reference
#else
      void
#endif
      vector<_Tp, _Alloc>::
      emplace_back(_Args&&... __args)
      {
	if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage)
	  {
	    _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GROW(1);
	    _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
				     std::forward<_Args>(__args)...);
	    ++this->_M_impl._M_finish;
	    _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GREW(1);
	  }
	else
	  _M_realloc_insert(end(), std::forward<_Args>(__args)...);
#if __cplusplus > 201402L
	return back(); // C++ 14 增加了返回尾元素迭代器
#endif
      }
#endif


// 左值完美转发
  template<typename _Tp>
    constexpr _Tp&&
    forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) noexcept
    { return static_cast<_Tp&&>(__t); }

// 右值完美转发
  template<typename _Tp>
    constexpr _Tp&&
    forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
    {
      static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"
		    " substituting _Tp is an lvalue reference type");
      return static_cast<_Tp&&>(__t);
    }

对于C++11来说，emplace_back整个过程与 push_back如出一辙，均是通过拷贝构造函数将对象复制创建到vector 尾端

Example

编写了一个String对象，通过具体例子看push_back 和 emplace_back 过程

String 类：

class String {
public:
  String() { 
    std::cout << "Construct!" << std::endl;
    std::cout << "        ctor " << randy << std::endl;
    }

  String(std::string arg):randy(arg) { 
    std::cout << "Construct!" << std::endl; 
    std::cout << "        ctor " << randy << std::endl;
    }

  String(const String& input) {
    randy = input.randy;
    std::cout << "Copy!" << std::endl;
    std::cout << "        C " << randy << std::endl;
  }

  String& operator=(String& input) {
    randy = input.randy;
    std::cout << "Copy operator!" << std::endl;
    std::cout << "        C= " << randy << std::endl;
    return *this;
  }

  String(String&& input) : randy(input.randy) {
    std::cout << "Move Copy!" << std::endl;
    input.randy = "";
    std::cout << "        C && " << randy << std::endl;
  }

  String& operator=(String&& input) {
    randy = input.randy;
    input.randy = "";
    std::cout << "Move Copy operator!" << std::endl;
    std::cout << "        C && = " << randy << std::endl;
    return *this;
  }

  ~String() {
    std::cout << "Destruct!" << std::endl;
    std::cout << "        ~ " << randy << std::endl;
  }

public:
  std::string randy{"orton"};
};

创建vector ，并 push_back 和 emplace_back 元素

int main() {
  {
    std::vector<String> array;
    array.reserve(3);
      
    String ss("11");
    array.push_back(ss);

    String ss2("22");
    array.emplace_back(ss2);
	
	String ss3("33");
    String ss4(std::move(ss3));
  }
}

结果：

Construct!       # String ss("11");
        ctor 11
Copy!           # array.push_back(ss);
        C 11
Construct!      # String ss2("22");
        ctor 22
Copy!           # array.emplace_back(ss2);
        C 22
Construct!      # String ss3("33");
        ctor 33
Move Copy!      # String ss4(std::move(ss3));
        C && 33
Destruct!       # ss4 destruct
        ~ 33
Destruct!       # ss3 destruct
        ~ 
Destruct!       # array 中 22 destruct
        ~ 22
Destruct!       # array 中 11 destruct
        ~ 11
Destruct!       # ss2 destruct
        ~ 22
Destruct!       # ss destruct
        ~ 11

测试代码也能看出 push_back和emplace_back过程中发生了 Copy construct行为。

How

上述原因总结就是：

原代码中因为使用了 push_back和emplace_back 插入元素，C++会调用s_data类的拷贝构造函数将元素插入到尾部，但是s_data类并没有手动写出深拷贝的拷贝构造函数，于是编译器自动生成隐式的拷贝构造函数，该拷贝构造函数为浅拷贝，只拷贝了 s_data类中的指针地址，未拷贝其指向的内存，导致原来被插入的元素及vector中的元素共享同一片内存，2者析构的时候会重复释放同一片内存，造成了 double free`。

解决办法：

为 s_data类设计拷贝构造函数，函数内进行深拷贝就能解决问题

s_data(const s_data& input) {
  this->a = input.a;
  this->b = input.b;
  if (p == nullptr) {
    p = new int();
  }
  *p = input.p[0];
}

Reference

• 浅拷贝与深拷贝的区别（详解）
• C++ 深拷贝和浅拷贝

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