三、迷途指针导致的安全漏洞
如同缓存溢出错误,迷途指针/野指针这类错误经常会导致安全漏洞。 例如,如果一个指针用来调用一个虚函数,由于vtable指针被覆盖了,因此可能会访问一个不同的地址(指向被利用的代码)。或者,如果该指针用来写入内存,其它的数据结构就有可能损坏了。一旦该指针成为迷途指针,即使这段内存是只读的,仍然会导致信息的泄露(如果感兴趣的数据放在下一个数据结构里面,恰好分配在这段内存之中)或者访问权限的增加(如果现在不可使用的内存恰恰被用来安全检测).
四、避免迷途指针的错误
避免迷途指针,有一种受欢迎的方法——即使用智能指针(Smart pointer)。智能指针使用引用计数来回收对象。
像Java语言,迷途指针这样的错误是不会发生的,因为Java中没有明确地重新分配内存的机制。而且垃圾回收器只会在对象的引用数为零时重新分配内存。
野指针指的是还没有初始化的指针。严格地说,编程语言中每个指针在初始化前都是野指针。
一般于未初始化时便使用指针就会产生问题。大多数的编译器都能检测到这一问题并警告用户。
int f(int i)
{
char* cp; //cp is a wild pointer
static char* scp; //scp is not a wild pointer: static variables are initialized to 0
//at start and retain their values from the last call afterwards.
//Using this feature may be considered bad style if not commented
}
补充:安全的野指针
看看下面的例子:
#include <stdio.h>
class CTestClass
{
public:
CTestClass( void );
int m_nInteger;
void Function( void );
};
CTestClass::CTestClass( void )
{
m_nInteger = 0;
}
void CTestClass::Function( void )
{
printf( "This is a test function." );
}
int main()
{
CTestClass* p = new CTestClass;
delete p;
p->Function();
return 0;
}
OK,程序到此为止,诸位可以编译运行一下看看结果如何。你也许会惊异地发现:没有任何的出错信息,屏幕上竟然乖乖地出现了这么一行字符串:
This is a test function.
奇怪吗?不要急,还有更奇怪的呢,你可以把主函数中加上一句更不可理喻的:
((CTestClass*)NULL)->Function();
这仍然没有问题!!
我这还有呢,哈哈。现在你在主函数中这么写,倘说上一句不可理喻,那么以下可以叫做无法无天了:
int i = 888;
CTestClass* p2 = (CTestClass*)&i;
p2->Function();
你看到了什么?是的,“This is a test function.”如约而至,没有任何的错误。
你也许要问为什么,但是在我解答你之前,请你在主函数中加入如下代码:
printf( "%d, %d", sizeof( CTestClass ), sizeof( int ) );
这时你就会看到真相了:输出结果是——得到的两个十进制数相等。对,由sizeof得到的CTestClass的大小其实就是它的成员m_nInteger的大小。亦即是说,对于CTestClass的一个实例化的对象(设为a)而言,只有a.m_nInteger是属于a这个对象的,而a.Function()却是属于CTestClass这个类的。所以以上看似危险的操作其实都是可行且无误的。
现在你明白为什么我的“野指针”是安全的了,那么以下我所列出的,就是在什么情况下,我的“野指针”不安全:
- 在成员函数Function中对成员变量m_nInteger进行操作;
- 将成员函数Function声明为虚函数(virtual)。
以上的两种情况,目的就是强迫野指针使用属于自己的东西导致不安全,比如第一种情况中操作本身的m_nInteger,第二种情况中变为虚函数的Function成为了属于对象的函数(这一点可以从sizeof看出来)。
其实,安全的野指针在实际的程序设计中是几乎毫无用处的。我写这一篇文章,意图并不是像孔乙己一样去琢磨回字有几种写法,而是想通过这个小例子向诸位写明白C++的对象实例化本质,希望大家不但要明白what和how,更要明白why。
关于成员函数CTestClass::Function的补充说明
这个函数是一个普通的成员函数,它在编译器的处理下,会成为类似如下的代码:
void Function( const CTestClass * this ) //
①
{
printf("This is a test function./n");
}
那么p->Function();一句将被编译器解释为:
Function( p );
这就是说,普通的成员函数必须经由一个对象来调用(经由this指针激活②)。那么由上例的delete之后,p指针将会指向一个无效的地址,然而p本身是一个有效的变量,因此编译能够通过。并且在编译通过之后,由于CTestClass::Function的函数体内并未对这个传入的this指针进行任何的操作,所以在这里,“野指针”便成了一个看似安全的东西。
然而若这样改写CTestClass::Function:
void CTestClass::Function( void )
{
m_nInteger = 0;
}
那么它将会被编译器解释为:
void Function( const CTestClass * this )
{
this->m_nInteger = 0;
}
你看到了,在p->Function();的时候,系统将会尝试在传入的这个无效地址中寻找m_nInteger成员并将其赋值为0,剩下的我不用说了——非法操作出现了。
至于virtual虚函数,如果在类定义之中将CTestClass声明为虚函数:
class CTestClass
{
public:
// ...
virtual void Function( void );
};
那么C++在构建CTestClass类的对象模型时,将会为之分配一个虚表指针vptr。vptr是一个指针,它指向一个函数指针的数组(虚函数表vtbl),数组中的成员即是在CTestClass中声明的所有虚函数。在调用虚函数的时候,必须经由这个vptr,这也就是为什么虚函数较之普通成员函数要消耗一些成本的缘故。以本例而言,p->Function();一句将被编译器解释为:
(*p->vptr[1])( p ); // 调用vptr表中索引号为1的函数(即Function)③
上面的代码已经说明了,如果p指向一个无效的地址,那么必然会有非法操作。
备注:
①关于函数的命名,我采用了原名而没有变化。事实上编译器为了避免函数重载造成的重名情况,会对函数的名字进行处理,使之成为独一无二的名称。
②将成员函数声明为static,可以使成员函数不经由this指针便可调用。
③vptr表中,索引号0为类的type_info。
(*p->vptr[1])( p ); // 调用vptr表中索引号为1的函数(即Function)③
上面的代码已经说明了,如果p指向一个无效的地址,那么必然会有非法操作。