淺談 C++ 中的Segmentation Fault 錯誤

更新於 2024/11/01發佈於 2022/11/02閱讀時間約 5 分鐘

在工作中遇到的問題實在是千奇百怪，跟C++搏鬥了好一陣子了，仍然還是跟它不是很熟，最近工作上更遇到了bug之王的segmentation fault錯誤，雖然還沒找出root cause，不過在找了一陣子未果後，想說透過更系統性的方法來調查甚麼原因會導致segmentation fault。

何謂 Segmentation fault (記憶體區段錯誤)?

記憶體區段錯誤，也稱存取權限衝突（access violation），它會出現在當程式企圖存取CPU無法定址的記憶體區段時。當錯誤發生時，硬體會通知作業系統產生了記憶體存取權限衝突的狀況。作業系統通常會產生核心轉儲（core dump）以方便開發者進行除錯。

因此，即便當下通過編譯，也有可能在執行程式的期間，由於記憶體位置存取不當而發生這類型的錯誤，錯誤訊息通常為 “Access Violation Writing Location"。

以下Grant整理了幾種會導致Segmentation fault 的情況。

（1）錯誤的訪問、寫入至唯讀記憶體

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
int main() {     
　　　char *c = "hello world";    
　　　c[1] = 'H'; 
}

基本上當一個字元指標常量宣告並賦值後，就會被儲存於唯獨記憶體中，而試圖寫入至唯讀記憶體段會引發區段錯誤。因此，為了避免這種狀況，建議在常數前加上const，這樣在編譯階段，編譯器就會報錯了。

（2）訪問了不屬於程式地址空間的內存

指標在宣告後，必須指向對應的位址，但對於寫入受保護的位址，是不被允許的。

linux 位址上的頂部的四分之一是保留给內部核心的。即 0xffffffff 到 0xc0000000 是不可存取的地址，而下面的 0xc0000fff 即是在這區間。

#include <stdio.h>   
#include <stdlib.h>  
int main() {           
　　int *p = (int*)0xC0000fff;           
　　*p = 10;   
}

（3）寫入空指標

空指標(0 or NULL)時所指向的記憶體位址是受到保護的，所以一旦遭到強行寫入，都會發生區段錯誤。

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h> 
#include <iostream> 
int main(){      
int *i=0;     
　　std::cout << &i;     
　　scanf ("%d", i);     
　　printf ("%d\n", i); 
}

（4）越界存取

再來一個常見引起區段錯誤的原因即是越界存取不存在的數組，例如以下的程式碼中，只宣告了長度為10的char，卻要印出c的位於第180000的資料。

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h> 
#include <iostream> 
int main() {      
　　char c[10];      
　　printf("%c", c[180000]);  
}

以上就是一些關於Segmentation fault的知識，一開始對於這個錯誤毫無頭緒，再做過了一些調查也實際上 replicate issue 的 scenarios 之後，總算有點概念了，如果之後有找到工作上遇到的那個問題的root cause，Grant 會再來這裡更新一下。

C++在管理內存較其他語言來說，彈性相當高，這是個兩面刃，一旦對於內存不熟悉，就很有可能corrupt掉整個系統，因此在寫的時候要更加小心。

————–更新——————

後來發現的 root cause 是由於寫入不存在的記憶體。

舉例來說，就是程式中有個兩個陣列，有一個陣列裡面是存要使用的方法的位置，另一個是類似定義要讀檔的 enum，藉由 enum 陣列與方法陣列的 index 來 mapping對應的使用情境。

但這兩個陣列的的內容不匹配，也就是長度不同。例如第一個陣列長度 11，而第二個長度是 12，所以當程式今天讀到第 12 個位置的時候，沒有找到對應的方法的位址的定義，並且在寫入的時候噴錯，因為根本沒有辦法分配對應的位址給不存在的方法。不過，只要是讀1-11的定義都不會有事，也導致在特定情況時才會報出區段錯誤，解法就是把長度為 11 的陣列增加為 12 並分派對應的方法的 address。

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