程序崩溃的调试方法及原因分类

作者 邵发 官网 http://afanihao.cn 本文是 C/C++学习指南（补充篇）- 单步调试 的官方文档，最新版本请在官网获取！

本文的视频讲解在 C/C++学习指南（补充篇）- 单步调试 的第7，8节课。

一、程序崩溃的定位

先给出一个例子，该代码有致命bug，运行时将使程序崩溃。在VC中输入以下代码：

/////////////// 示例1 ////////////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct Object
{
    int id;
    char name[32];
};
void show(Object* p)
{
    printf("Object [%d, %s] \n", p->id, p->name);
}
void test(int id, const char* name)
{
    Object* obj = NULL;
    show(obj); //<--空指针
}
int main()
{
    int aaa = 9801; // 未使用
    char* str = "127.0.0.1"; // 未使用

    int id = 123;
    const char* name = "shafa";
    test(id, name);
    return 0;
}

* 按CTRL+F5运行
显示程序已崩溃，如下图所示：

这种提示意味着代码中存在严重bug，导致了程序崩溃。那么，怎么知道是哪儿出错了呢？

* 按F5启动调试
黄色箭头指向的位置，就是出错的位置。在程序崩溃时，VC会自动地停在导致崩溃的那一行代码上，

注意两点：
- 提示的错误为“未处理的异常 0XC000005，读取位置0x00000000时发生访问冲突”。以后凡是看到这种提示，表示错误的原因是“空指针”。
- 在代码编辑器，黄色箭头已经指向了错误的行。

在界面上，点“中断”

在界面上，点开“调用堆栈”
这个窗口里可以直接观察到发生错误的时候、函数栈的各层函数的信息。（ 如果没有显示这个窗口，可从菜单里 “调试 | 窗口 | 调用堆栈”里打开）

二、“调用堆栈”窗口的使用方法

“调用堆栈”窗口里可以观察到：
- 函数的调用层次 ：main() -> test(id, name) ->show(p)
- 每一次函数里的局部变量(含参变量)的值
- 全部变量的值

（*）从上到下，依次是函数的调用层次
（*）每一行由以下信息组成
Hello.exe!show(Object* p=0x00000000)行12+0xc字节
模块名：Hello.exe
函数名: show
参数值：Object*p = 0x00000000
位置：第12行
可以发现，在main()函数之上还有一些东西，那些就是Windows应用程序的框架。
（3）双击某个函数，可以看到这个函数内的局部变量的值

注：显示的此时此刻（发生错误的时刻），函数栈上的各个层次的所有局部变量的值。观察它们的值，即可有助于程序员判断到底是哪儿写错了。

三、程序崩溃的原因分类

1. 函数栈溢出
   一个变量未初化、未赋值，就读取它的值。
   （ 这属于逻辑问题，往往是粗心大意的导致的 ）
2. 函数栈溢出
   （1）定义了一个体积太大的局部变量
   （2）函数嵌套调用，层次过深（如无穷递归）
3. 数组越界访问
   访问数组元素时，下标越界
4. 指针的目标对象不可用
   （1）空指针
   （2）野指针
   
   • 指针未赋值
   • free/delete释放了的对象
   • 不恰当的指针强制转换

3.1 读取未赋值的变量

这种往往是疏忽大意造成的，因为逻辑错误非常明显。

//////////////// 示例 //////////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 求两数的积
int multiply(int m, int n)
{
    return m * n;
}
int main()
{
    int a, b;
    int m = multiply(a, b);//<--这里有错
    printf("result: %d \n", m);
    return 0;
}

按Ctrl + F5运行
注意其错误提示的特征：“The variable is being used without being initialized”。 显然，a,b都没有初始值，而且也未赋值，那么multiply(a,b)毫无意义、不是正常的逻辑。

按F5启动调试
注意其错误特征：“The variable is being used without being initialized”。

点“中断”，

3.2 函数栈溢出

以下两种情况会导致函数栈溢出：
（1）定义了一个体积太大的局部变量
（2）函数嵌套调用，层次过深（如无穷递归）

//////////////////// 示例 //////////////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 局部变量的体积太大
void test()
{
    int buf[1024*1024*16];  // 这个变量体积太大
    printf("DO NOT define a very large buffer on the stack!");
    for(int i = 0; i<sizeof(buf)/sizeof(int); i++)
    {
        buf[i] = i;
    }
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

按CTRL+F5运行，

按F5启动调试

注意错误提示的特征：“未处理的异常:0Xc00000FD: Stack overflow”
点“中断”，则黄色箭头停在出错位置。

在调用堆栈里点main，

绿色箭头 表示，从第16行返回后，函数栈发生异常。
结论：当变量体积太大时，应该用malloc或new来动态分配内存。

会导致函数栈溢出的另一种原因：函数递归调用，层次太深，没有终止条件。

///////////////// 示例 /////////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void a();
void b();

void a()
{
    printf("Calling a() ...\n");
    b();
}
void b()
{
    printf("Calling b() ...\n");
    a();
}
int main()
{
    a();
    return 0;
}

则运行时也会崩溃。

3.3 数组越界访问

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test(char* p)
{
    for(int i=0; i<5; i++)//<--这里有错
    {
        p[i] *= 10;
        printf("%d \n", p[i]);
    }
}
int main()
{
    char buf[4] = {1,2,3,4};
    test(buf);
    return 0;
}

按CTRL + F5运行
错误特征：” Stack around the variable was corrupted ”

3.4指针的目标对象不可用

请参考 C/C++学习指南（语法篇），第九章，9.5讲的视频讲解

指针指向的对象（内存）必须保证是有效的、可以访问的。
分以下几种情况:
（1）空指针
（2）野指针
- 指针未赋值
- free/delete释放了的对象
- 不恰当的指针强制转换

3.4.1 空指针

示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct Object
{
    int id;
    char name[32];
};
void show(Object* p)
{
    printf("Object [%d, %s] \n", p->id, p->name);
}
void test(int id, const char* name)
{
    Object* obj = NULL;
    show(NULL);//<--这里有错
}
int main()
{
    int id = 123;
    const char* name = "shafa";
    test(id, name);
    return 0;
}

按CTRL+F5运行，显示程序已崩溃
按F5启动调试
错误特征：” 未处理的异常:0xC0000005:读取位置0x00000000时发生访问冲突 “

3.4.2 野指针: 指针未赋值

////////////////// 示例代码 ///////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct Object
{
    int id;
    char name[32];
};
void show(Object* p)
{
    printf("Object [%d, %s] \n", p->id, p->name);
}

int main()
{
    Object* p;
    show(p);//<--这里有错
    return 0;
}

错误特征：
The variable is being used without being initialized

此时VC不能自动找到错误的精确位置，应该按照用单步调试的手段，逐步找到出错的行。

3.4.3 野指针: free/delete释放了的对象
指针指向一个动态分配的对象，被free/delete释放之后，该指针不再可用。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
struct Object
{
    int id;
    char name[32];
};

void show(Object* p)
{
    printf("Object [%d, %s] \n", p->id, p->name);
}
int main()
{
    Object* p = (Object*)malloc(sizeof(Object));
    p->id = 123;
    strcpy(p->name, "邵发");

    free(p); // p指向的内存被释放

    p->id = 12; //<--这里有错,不可再对其访问
    show(p);
    return 0;
}

[参考习题 #145]

此时VC不能自动找到错误的精确位置，应该按照用单步调试的手段，逐步找到出错的行。

3.4.4 野指针：不恰当的指针强制转换
关于指针强制转换的各种情况，请参考此文:
指针类型的转换 http://tieba.baidu.com/p/4103000163

这样会导致各种类型的错误提示，并没有统一的错误特征。所以指针强制转时，必须要对它有足够的理解才能使用。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    double* p = (double*) &a; 
    *p = 123.345; // 程序崩溃
    return 0;
}