詳解C語(yǔ)言數(shù)組越界

所謂的數(shù)組越界，簡(jiǎn)單地講就是指數(shù)組下標(biāo)變量的取值超過(guò)了初始定義時(shí)的大小，導(dǎo)致對(duì)數(shù)組元素的訪問(wèn)出現(xiàn)在數(shù)組的范圍之外，這類錯(cuò)誤也是C語(yǔ)言程序中最常見(jiàn)的錯(cuò)誤之一。

在C語(yǔ)言中，數(shù)組必須是靜態(tài)的。換而言之，數(shù)組的大小必須在程序運(yùn)行前就確定下來(lái)。由于C語(yǔ)言并不具有類似Java等語(yǔ)言中現(xiàn)有的靜態(tài)分析工具的功能，可以對(duì)程序中數(shù)組下標(biāo)取值范圍進(jìn)行嚴(yán)格檢查，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)組上溢或下溢，都會(huì)因拋出異常而終止程序。也就是說(shuō)，C語(yǔ)言并不檢驗(yàn)數(shù)組邊界，數(shù)組的兩端都有可能越界，從而使其他變量的數(shù)據(jù)甚至程序代碼被破壞。

因此，數(shù)組下標(biāo)的取值范圍只能預(yù)先推斷一個(gè)值來(lái)確定數(shù)組的維數(shù)，而檢驗(yàn)數(shù)組的邊界是程序員的職責(zé)。

一般情況下，數(shù)組的越界錯(cuò)誤主要包括兩種：數(shù)組下標(biāo)取值越界與指向數(shù)組的指針的指向范圍越界。

數(shù)組下標(biāo)取值越界

數(shù)組下標(biāo)取值越界主要是指訪問(wèn)數(shù)組的時(shí)候，下標(biāo)的取值不在已定義好的數(shù)組的取值范圍內(nèi)，而訪問(wèn)的是無(wú)法獲取的內(nèi)存地址。例如，對(duì)于數(shù)組?int a[3]，它的下標(biāo)取值范圍是[0，2]（即a[0]、a[1] 與 a[2]）。如果我們的取值不在這個(gè)范圍內(nèi)（如 a[3]），就會(huì)發(fā)生越界錯(cuò)誤。示例代碼如下所示：

1int?a[3];
2int?i=0;
3for(i=0;i<4;i )
4{
5????a[i]?=?i;
6}
7for(i=0;i<4;i )
8{
9????printf("a[%d]=%d\n",i,a[i]);
10}
很顯然，在上面的示例程序中，訪問(wèn) a[3] 是非法的，將會(huì)發(fā)生越界錯(cuò)誤。因此，我們應(yīng)該將上面的代碼修改成如下形式：

1int?a[3];
2int?i=0;
3for(i=0;i<3;i )
4{
5????a[i]?=?i;
6}
7for(i=0;i<3;i )
8{
9????printf("a[%d]=%d\n",i,a[i]);
10}


指向數(shù)組的指針的指向范圍越界

指向數(shù)組的指針的指向范圍越界是指定義數(shù)組時(shí)會(huì)返回一個(gè)指向第一個(gè)變量的頭指針，對(duì)這個(gè)指針進(jìn)行加減運(yùn)算可以向前或向后移動(dòng)這個(gè)指針，進(jìn)而訪問(wèn)數(shù)組中所有的變量。但在移動(dòng)指針時(shí)，如果不注意移動(dòng)的次數(shù)和位置，會(huì)使指針指向數(shù)組以外的位置，導(dǎo)致數(shù)組發(fā)生越界錯(cuò)誤。

下面的示例代碼，就是移動(dòng)指針時(shí)沒(méi)有考慮到移動(dòng)的次數(shù)和數(shù)組的范圍，從而使程序訪問(wèn)了數(shù)組以外的存儲(chǔ)單元。

1int?i;
2int?*p;
3int?a[5];
4/*數(shù)組a的頭指針賦值給指針p*/
5p=a;
6for(i=0;i<10;i )
7{
8????/*指針p指向的變量*/
9????*p=i 10;
10????/*指針p下一個(gè)變量*/
11????p ;
12}
在上面的示例代碼中，for循環(huán)會(huì)使指針p向后移動(dòng)10次，并且每次向指針指向的單元賦值。但是，這里數(shù)組a的下標(biāo)取值范圍是?[0，4]（即?a[0]、a[1]、a[2]、a[3] 與 a[4]）。因此，后5次的操作會(huì)對(duì)未知的內(nèi)存區(qū)域賦值，而這種向內(nèi)存未知區(qū)域賦值的操作會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤。

正確的操作，應(yīng)該是指針移動(dòng)的次數(shù)與數(shù)組中的變量個(gè)數(shù)相同，如下面的代碼所示：

1int?i;
2int?*p;
3int?a[5];
4/*數(shù)組a的頭指針賦值給指針p*/
5p=a;
6for(i=0;i<5;i )
7{
8????/*指針p指向的變量*/
9????*p=i 10;
10????/*指針p下一個(gè)變量*/
11????p ;
12}
為了加深大家對(duì)數(shù)組越界的了解，下面通過(guò)一段完整的數(shù)組越界示例來(lái)演示編程中數(shù)組越界將會(huì)導(dǎo)致哪些問(wèn)題。

1#define?PASSWORD?"123456"
2int?Test(char?*str)
3{
4????int?flag;
5????char?buffer[7];
6????flag=strcmp(str,PASSWORD);
7????strcpy(buffer,str);
8????return?flag;
9}
10int?main(void)
11{
12????int?flag=0;
13????char?str[1024];
14????while(1)
15????{
16????????printf("請(qǐng)輸入密碼：??");
17????????scanf（"%s",str);
18????????flag?=?Test(str);
19????????if(flag)
20????????{
21????????????printf("密碼錯(cuò)誤！\n");
22????????}
23????????????else
24????????????{
25????????????????printf("密碼正確！\n");
26????????????}
27????}
28????return?0;
29}
上面的示例代碼模擬了一個(gè)密碼驗(yàn)證的例子，它將用戶輸入的密碼與宏定義中的密碼123456進(jìn)行比較。很顯然，本示例中最大的設(shè)計(jì)漏洞就在于 Test() 函數(shù)中的?strcpy(buffer,str)?調(diào)用。

由于程序?qū)⒂脩糨斎氲淖址獠粍?dòng)地復(fù)制到 Test() 函數(shù)的數(shù)組?char buffer[7]?中。因此，當(dāng)用戶的輸入大于 7 個(gè)字符的緩沖區(qū)尺寸時(shí)，就會(huì)發(fā)生數(shù)組越界錯(cuò)誤，這也就是大家所謂的緩沖區(qū)溢出Buffer overflow?漏洞。

但是要注意，如果這個(gè)時(shí)候我們根據(jù)緩沖區(qū)溢出發(fā)生的具體情況填充緩沖區(qū)，不但可以避免程序崩潰，還會(huì)影響到程序的執(zhí)行流程，甚至?xí)尦绦蛉?zhí)行緩沖區(qū)里的代碼。示例運(yùn)行結(jié)果為：

1請(qǐng)輸入密碼:12345
2密碼錯(cuò)誤！
3請(qǐng)輸入密碼:123456
4密碼正確！
5請(qǐng)輸入密碼:1234567
6密碼正確！
7請(qǐng)輸入密碼:aaaaaaa
8密碼正確！
9請(qǐng)輸入密碼:0123456
10密碼錯(cuò)誤！
11請(qǐng)輸入密碼:
在示例代碼中，flag 變量實(shí)際上是一個(gè)標(biāo)志變量，其值將決定著程序是進(jìn)入密碼錯(cuò)誤的流程（非 0）還是“密碼正確”的流程（0）。當(dāng)我們輸入錯(cuò)誤的字符串1234567或者aaaaaaa，程序也都會(huì)輸出“密碼正確”。但在輸入0123456的時(shí)候，程序卻輸出“密碼錯(cuò)誤”，這究竟是為什么呢？

其實(shí)，原因很簡(jiǎn)單。當(dāng)調(diào)用 Test() 函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)給它分配一片連續(xù)的內(nèi)存空間，而變量?char buffer[7]?與?int flag?將會(huì)緊挨著進(jìn)行存儲(chǔ)，用戶輸入的字符串將會(huì)被復(fù)制進(jìn) buffer[7] 中。如果這個(gè)時(shí)候，我們輸入的字符串?dāng)?shù)量超過(guò) 6 個(gè)（注意，有字符串截?cái)喾菜阋粋€(gè)），那么超出的部分將破壞掉與它緊鄰著的 flag 變量的內(nèi)容。

當(dāng)輸入的密碼不是宏定義的123456時(shí)，字符串比較將返回 1 或 -1。我們都知道，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)按照 4 字節(jié)（DWORD）逆序存儲(chǔ)，所以當(dāng) flag 為 1 時(shí)，在內(nèi)存中存儲(chǔ)的是0x01000000。如果我們輸入包含 7 個(gè)字符的錯(cuò)誤密碼，如aaaaaaa，那么字符串截?cái)喾?0x00 將寫入 flag 變量，這樣溢出數(shù)組的一個(gè)字節(jié) 0x00 將恰好把逆序存放的 flag 變量改為?0x00000000。在函數(shù)返回后，一旦 main 函數(shù)的 flag 為 0，就會(huì)輸出“密碼正確”。這樣，我們就用錯(cuò)誤的密碼得到了正確密碼的運(yùn)行效果。

而對(duì)于0123456，因?yàn)樵谶M(jìn)行字符串的大小比較時(shí)，它小于123456，flag的值是 -1，在內(nèi)存中將按照補(bǔ)碼存放負(fù)數(shù)，所以實(shí)際存儲(chǔ)的不是?0x01000000?而是?0xffffffff。那么字符串截?cái)嗪蠓?0x00 淹沒(méi)后，變成?0x00ffffff，還是非 0，所以沒(méi)有進(jìn)入正確分支。

其實(shí)，本示例只是用一個(gè)字節(jié)淹沒(méi)了鄰接變量，導(dǎo)致程序進(jìn)入密碼正確的處理流程，使設(shè)計(jì)的驗(yàn)證功能失效。

盡量顯式地指定數(shù)組的邊界

在 C 語(yǔ)言中，為了提高運(yùn)行效率，給程序員更大的空間，為指針操作帶來(lái)更多的方便，C 語(yǔ)言內(nèi)部本身不檢查數(shù)組下標(biāo)表達(dá)式的取值是否在合法范圍內(nèi)，也不檢查指向數(shù)組元素的指針是不是移出了數(shù)組的合法區(qū)域。因此，在編程中使用數(shù)組時(shí)就必須格外謹(jǐn)慎，在對(duì)數(shù)組進(jìn)行讀寫操作時(shí)都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的檢查，以免對(duì)數(shù)組的操作超過(guò)數(shù)組的邊界，從而發(fā)生緩沖區(qū)溢出漏洞。

要避免程序因數(shù)組越界所發(fā)生的錯(cuò)誤，首先就需要從數(shù)組的邊界定義開(kāi)始。盡量顯式地指定數(shù)組的邊界，即使它已經(jīng)由初始化值列表隱式指定。示例代碼如下所示：

1int?a[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
很顯然，對(duì)于上面的數(shù)組 a[]，雖然編譯器可以根據(jù)始化值列表來(lái)計(jì)算出數(shù)組的長(zhǎng)度。但是，如果我們顯式地指定該數(shù)組的長(zhǎng)度，例如：

1int?a[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
它不僅使程序具有更好的可讀性，并且大多數(shù)編譯器在數(shù)組長(zhǎng)度小于初始化值列表的長(zhǎng)度時(shí)還會(huì)發(fā)生相應(yīng)警告。

當(dāng)然，也可以使用宏的形式來(lái)顯式指定數(shù)組的邊界（實(shí)際上，這也是最常用的指定方法），如下面的代碼所示：

1#define?MAX?10
2…
3int?a[MAX]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
除此之外，在 C99 標(biāo)準(zhǔn)中，還允許我們使用單個(gè)指示符為數(shù)組的兩段“分配”空間，如下面的代碼所示：

1int?a[MAX]={1,2,3,4,5,[MAX-5]=6,7,8,9,10};
在上面的?a[MAX]數(shù)組中，如果 MAX 大于 10，數(shù)組中間將用 0 值元素進(jìn)行填充（填充的個(gè)數(shù)為?MAX-10，并從 a[5] 開(kāi)始進(jìn)行 0 值填充）；如果 MAX 小于 10，[MAX-5]之前的 5 個(gè)元素（1，2，3，4，5）中將有幾個(gè)被[MAX-5]之后的 5 個(gè)元素（6，7，8，9，10）所覆蓋，示例代碼如下所示：

1#define?MAX?10
2#define?MAX1?15
3#define?MAX2?6
4int?main(void)
5{
6????int?a[MAX]={1,2,3,4,5,[MAX-5]=6,7,8,9,10};
7????int?b[MAX1]={1,2,3,4,5,[MAX1-5]=6,7,8,9,10};
8????int?c[MAX2]={1,2,3,4,5,[MAX2-5]=6,7,8,9,10};
9????int?i=0;
10????int?j=0;
11????int?z=0;
12????printf("a[MAX]：\n");
13????for(i=0;i14????{
15????????printf("a[%d]=%d?",i,a[i]);
16????}
17????printf("\nb[MAX1]：\n");
18????for(j=0;j19????{
20????????printf("b[%d]=%d?",j,b[j]);
21????}
22????printf("\nc[MAX2]：\n");
23????for(z=0;z24????{
25????????printf("c[%d]=%d?",z,c[z]);
26????}
27????printf("\n");
28????return?0;
29}
運(yùn)行結(jié)果為：

1a[MAX]：
2a[0]=1?a[1]=2?a[2]=3?a[3]=4?a[4]=5?a[5]=6?a[6]=7?a[7]=8?a[8]=9?a[9]=10
3b[MAX1]：
4b[0]=1?b[1]=2?b[2]=3?b[3]=4?b[4]=5?b[5]=0?b[6]=0?b[7]=0?b[8]=0?b[9]=0?b[10]=6?b[11]=7?b[12]=8?b[13]=9?b[14]=10
5c[MAX2]：
6c[0]=1?c[1]=6?c[2]=7?c[3]=8?c[4]=9?c[5]=10


對(duì)數(shù)組做越界檢查，確保索引值位于合法的范圍之內(nèi)

要避免數(shù)組越界，除了上面所闡述的顯式指定數(shù)組的邊界之外，還可以在數(shù)組使用之前進(jìn)行越界檢查，檢查數(shù)組的界限和字符串（也以數(shù)組的方式存放）的結(jié)束，以保證數(shù)組索引值位于合法的范圍之內(nèi)。例如，在寫處理數(shù)組的函數(shù)時(shí)，一般應(yīng)該有一個(gè)范圍參數(shù)；在處理字符串時(shí)總檢查是否遇到空字符‘\0’。

來(lái)看下面一段代碼示例：

1#define?ARRAY_NUM?10
2int?*TestArray(int?num,int?value)
3{
4????int?*arr=NULL;
5????arr=(int?*)malloc(sizeof(int)*ARRAY_NUM);
6????if(arr!=NULL)
7????{
8????????arr[num]=value;
9????}
10????else
11????{
12????????/*處理arr==NULL*/
13????}
14????return?arr;
15}
從上面的int*TestArray（int num，int value）函數(shù)中不難看出，其中存在著一個(gè)很明顯的問(wèn)題，那就是無(wú)法保證 num 參數(shù)是否越界（即當(dāng)num>=ARRAY_NUM的情況）。因此，應(yīng)該對(duì) num 參數(shù)進(jìn)行越界檢查，示例代碼如下所示：

1int?*TestArray(int?num,int?value)
2{
3????int?*arr=NULL;
4????/*越界檢查(越上界)*/
5????if(num 6????{
7????????arr=(int?*)malloc(sizeof(int)*ARRAY_NUM);
8????????if(arr!=NULL)
9????????{
10????????????arr[num]=value;
11????????}
12????????else
13????????{
14????????????/*處理arr==NULL*/
15????????}
16????}
17????return?arr;
18}
這樣通過(guò)if（num語(yǔ)句進(jìn)行越界檢查，從而保證 num 參數(shù)沒(méi)有越過(guò)這個(gè)數(shù)組的上界?，F(xiàn)在看起來(lái)，TestArray() 函數(shù)應(yīng)該沒(méi)什么問(wèn)題，也不會(huì)發(fā)生什么越界錯(cuò)誤。

但是，如果仔細(xì)檢查，TestArray() 函數(shù)仍然還存在一個(gè)致命的問(wèn)題，那就是沒(méi)有檢查數(shù)組的下界。由于這里的 num 參數(shù)類型是 int 類型，因此可能為負(fù)數(shù)。如果 num 參數(shù)所傳遞的值為負(fù)數(shù)，將導(dǎo)致在 arr 所引用的內(nèi)存邊界之外進(jìn)行寫入。

當(dāng)然，你可以通過(guò)向if（num語(yǔ)句里面再加一個(gè)條件進(jìn)行測(cè)試，如下面的代碼所示：

1if(num>=0