Bài 52.126 phút đọc

Vòng đời đối tượng

Sau bài này bạn sẽ làm được

Kể bốn thời gian lưu trữ và ví dụ cho từng cái
Giải thích vì sao in địa chỉ một biến đã chết là UB
Nhận ra con trỏ treo trong mã thật
Dùng _Thread_local đúng chỗ

Chuẩn C không nói về "biến toàn cục" hay "biến trên ngăn xếp". Nó nói về thời gian lưu trữ, và có đúng bốn loại. Hiểu chúng ở tầng chuẩn giải thích được những chỗ mà cách nghĩ theo ngăn xếp và heap không giải thích nổi.

#Bốn thời gian lưu trữ

Thời gian lưu trữ	Sống từ khi nào tới khi nào	Khai báo thế nào
Tĩnh (static)	Trước khi main chạy tới khi chương trình kết thúc	Biến ở phạm vi tệp, hoặc có từ khóa static
Luồng (thread)	Từ khi luồng bắt đầu tới khi luồng kết thúc	_Thread_local, từ C11
Tự động (automatic)	Từ khi vào khối tới khi ra khỏi khối	Biến cục bộ không có static
Cấp phát (allocated)	Từ malloc tới free	malloc, calloc, realloc, aligned_alloc

Bốn loại trong một tệp

#include <stdlib.h>
#include <threads.h>

int g;                       /* TINH: pham vi tep */
static int s;                /* TINH: pham vi tep, lien ket trong */
_Thread_local int tls;       /* LUONG */

void f(void) {
    int a;                   /* TU DONG: chet khi f tra ve */
    static int b;            /* TINH: du nam trong ham */

    {
        int c;               /* TU DONG: chet khi ra khoi khoi nay */
    }

    int *p = malloc(4);      /* CAP PHAT: song toi khi free */
    free(p);                 /* chet o day */
}

Vòng đời (lifetime)

Khoảng thời gian mà một đối tượng chắc chắn có bộ nhớ dành riêng cho nó và giữ giá trị cuối cùng được lưu vào. Ngoài khoảng đó, mọi thao tác với nó là hành vi không xác định.

#Đọc con trỏ treo cũng là UB

Chuẩn nói về GIÁ TRỊ của con trỏ, không chỉ về việc giải tham chiếu

int *p;
{ int x = 5; p = &x; }

printf("%p\n", (void *)p);      /* UB, du chi IN dia chi */

/* Chuan C11 muc 6.2.4 doan 2:

     "The value of a pointer becomes indeterminate when the object
      it points to (or just past) reaches the end of its lifetime."

   Va phu luc J.2 liet ke:

     "The value of a pointer to an object whose lifetime has ended
      is used (6.2.4)."

   Chu "used", khong phai "dereferenced". Nen ngay ca:
     - in no ra
     - so sanh no voi NULL
     - gan no cho mot con tro khac
     - truyen no lam doi so

   deu la UB. Chi mot viec la hop le: gan mot gia tri MOI cho no. */

p = NULL;                       /* hop le */
p = &bien_khac;                 /* hop le */

terminal

gcc -std=c11 -O1 -Wall -Wextra -o vongdoi.exe vongdoi.c && ./vongdoi.exe

g[0] = 1
p[0] = 0  (con tro treo)
q     = 000000000061FE40  (doc dia chi cung la UB)

Trong thực tế thì nó thường chạy, và đó là vấn đề

/* Tren x86-64 voi bo nho phang, in mot dia chi da chet chi la
   in ra mot con so. Khong sap, khong canh bao.

   Nhung chuan de UB o day co ly do that:

     1. Tren may co bo nho phan doan, nap mot con tro vao thanh ghi
        phan doan co the sinh loi phan cung neu phan doan da bi giai phong

     2. Voi con tro co gan the kiem tra, nhu tren ARM voi MTE hoac
        CHERI, dung mot con tro het han la loi phan cung

     3. Trinh bien dich duoc phep gia dinh dieu do khong xay ra,
        va toi uu dua tren gia dinh do

   Diem 3 la diem anh huong toi ban ngay hom nay. */

Trình biên dịch khai thác điều đó

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int *p, *q;

    { int x = 0; p = &x; }
    { int y = 0; q = &y; }

    /* Hai bien co the dung CHUNG mot cho tren ngan xep, vi vong doi
       cua chung khong chong nhau. Nen p == q co the DUNG. */

    if (p == q) printf("bang nhau\n");   /* co the in, co the khong */

    return 0;
}

/* GCC va Clang cho ket qua khac nhau o day, va cung mot trinh bien dich
   o hai muc toi uu khac nhau cung co the khac.

   Do la vi so sanh hai con tro treo la UB, nen khong co cau tra loi dung. */

#Năm dạng con trỏ treo

Một: trả về địa chỉ biến cục bộ

int *f(void) {
    int x = 42;
    return &x;               /* -Wreturn-local-addr bat duoc */
}

/* Bai 33.3 da do: GCC o -O2 thay luon dia chi do bang NULL. */

Hai: con trỏ ra khỏi khối

int *p;
if (dieu_kien) {
    int tam = tinh();
    p = &tam;                /* tam chet o dau ngoac dong */
}
dung(p);                     /* UB */

/* GCC bat duoc voi -Wdangling-pointer tu ban 12,
   nhung GCC 8.1 thi khong. */

Ba: compound literal trong hàm

static int *tra_ve_cl(void) {
    return (int[]){10, 20, 30};   /* thoi gian song TU DONG */
}

/* Bai 51.2 da do: p[0] cho ra 0 thay vi 10.
   Bai 52.4 se noi ky. */

Bốn: con trỏ sau free

free(p);
if (p != NULL) ...           /* UB: doc gia tri cua p */

/* Chua bang cach gan NULL ngay sau free: */
free(p);
p = NULL;                    /* gia tri MOI, hop le */
if (p != NULL) ...           /* gio hop le */

Năm: con trỏ vào vùng đã realloc

int *a = malloc(10 * sizeof *a);
int *p = &a[5];                   /* con tro vao giua */

int *moi = realloc(a, 20 * sizeof *a);
if (moi != NULL) a = moi;

/* Bay gio "p" TREO, va ca "a" cu cung treo neu realloc doi cho.

   Chuan noi: neu realloc thanh cong, doi tuong cu ket thuc vong doi,
   va moi con tro toi no tro nen bat dinh.

   Nen: khong bao gio giu con tro vao giua mot vung co the realloc.
   Giu CHI SO thay vi con tro: */

size_t i = 5;
a = realloc(a, ...);
a[i]                              /* van dung */

Ba cờ cảnh báo bắt được một phần

gcc -Wreturn-local-addr    # nam trong -Wall, bat dang mot
gcc -Wdangling-pointer     # GCC 12 tro len, bat dang hai
gcc -Wuse-after-free       # GCC 12 tro len, bat dang bon

# Va cong cu luc chay:
gcc -fsanitize=address -fsanitize-address-use-after-scope
#   bat duoc dang mot, hai, ba, bon
#   Bai 34.2 da noi

valgrind ./prog
#   bat duoc dang bon va nam, khong bat duoc dang mot va hai

#_Thread_local

#include <threads.h>          /* cho thread_local, ten ngan */

_Thread_local int dem;        /* moi luong mot ban rieng */
thread_local int dem;         /* tu C11 qua threads.h, cung nghia */

/* Ket hop voi static hoac extern: */
static _Thread_local int rieng;      /* lien ket trong */
extern _Thread_local int chung;      /* lien ket ngoai */

/* Trong ham thi phai co static hoac extern: */
void f(void) {
    static _Thread_local int x;      /* dung */
    _Thread_local int y;             /* error: cannot be applied to
                                        block scope variable without
                                        static or extern */
}

Ba ứng dụng chính

/* 1. errno, va moi bien trang thai kieu do */

extern _Thread_local int errno;     /* dai y cach POSIX lam */

/* Neu errno la bien toan cuc thuong thi hai luong cung ghi vao no,
   va khong luong nao doc duoc ma loi cua minh. */

/* 2. Bo dem loi cua thu vien, Bai 39.10 da gap van de nay */

static _Thread_local char g_loi[512];

const char *tv_loi(void) { return g_loi; }

/* 3. Bo cap phat hoac bo dem theo luong */

static _Thread_local char bo_dem[4096];
static _Thread_local size_t da_dung;

void *cap_nhanh(size_t n) {
    if (da_dung + n > sizeof bo_dem) return malloc(n);
    void *p = bo_dem + da_dung;
    da_dung += n;
    return p;
}
/* Khong can khoa, vi moi luong co bo dem rieng. */

#Bốn quy tắc sở hữu

Sở hữu không rõ ràng

/* Ai giai phong cai nay? Tai lieu khong noi. */
char *lay_ten(void);

/* Con tro nay song bao lau? Khong noi. */
const char *sv_ten(const SinhVien *sv);

/* Ham nay co giu con tro lai khong? Khong noi. */
void dang_ky(const char *ten);

Sở hữu ghi rõ trong tài liệu

/* Nguoi goi SO HUU, phai goi free */
char *lay_ten(void);

/* MUON: song toi khi sv bi huy hoac sv_dat_ten duoc goi.
   Nguoi goi KHONG duoc free, va phai sao chep neu muon giu lau */
const char *sv_ten(const SinhVien *sv);

/* Ham nay SAO CHEP chuoi, nguoi goi giu quyen so huu cua minh */
void dang_ky(const char *ten);

/* Va ghi thang vao tai lieu cua header, khong chi trong dau ban. */

Ba quy ước đặt tên phổ biến

/* Quy uoc 1: hau to noi ro */

char *ml_ten_moi(const SinhVien *sv);      /* "_moi": ban so huu */
const char *ml_ten(const SinhVien *sv);    /* khong hau to: ban muon */

/* Quy uoc 2: kieu tra ve noi ro */

char       *lay_ten(void);        /* char *: thuong la ban so huu */
const char *xem_ten(void);        /* const char *: thuong la ban muon */

/* Quy uoc 3: tham so ra, nguoi goi cap bo dem */

int ml_ten_vao(const SinhVien *sv, char *ra, size_t co);
/* Khong ai cap phat gi ca. Ro rang nhat, va thuong la tot nhat
   cho thu vien C. */

/* Va mot mau rat huu ich: hoi kich thuoc truoc */

size_t n = ml_ten_vao(sv, NULL, 0);     /* tra ve so byte can */
char *bo_dem = malloc(n + 1);
ml_ten_vao(sv, bo_dem, n + 1);

/* Do la cach snprintf va nhieu ham he thong lam. */

Trường hợp khó nhất: hàm gọi lại giữ con trỏ

void dang_ky_xu_ly(void (*f)(void *), void *ngu_canh);

/* Cau hoi khong tranh duoc: he thong su kien giu "ngu_canh" bao lau?

   Neu no giu toi khi ban huy dang ky, thi ban KHONG duoc truyen
   dia chi cua mot bien cuc bo:

     void f(void) {
         int trang_thai = 0;
         dang_ky_xu_ly(xu_ly, &trang_thai);
     }                                    <- trang_thai chet o day

   Ba cach chua:
     1. Cap phat dong, va huy dang ky se free
     2. Dung bien tinh hoac bien thanh vien cua mot doi tuong song lau
     3. Thiet ke API sao cho ham goi lai duoc goi NGAY, khong luu lai

   Cach 3 tot nhat khi duoc: qsort va bsearch lam vay, nen truyen
   dia chi bien cuc bo cho chung hoan toan an toan. Bai 30.4. */

Tự làm thử

Viết một tệp có đủ bốn thời gian lưu trữ và giải thích từng cái sống bao lâu.
In địa chỉ một biến đã ra khỏi phạm vi và đối chiếu với phụ lục J.2.
So sánh hai con trỏ treo và chạy ở hai mức tối ưu khác nhau.
Viết năm dạng con trỏ treo và xem cờ cảnh báo nào bắt được cái nào.
Dùng _Thread_local cho một bộ đệm lỗi và kiểm thử với hai luồng.
Viết lại một header của bạn với chú thích sở hữu cho mọi hàm trả về con trỏ.

Trình chấm điểm tự động sẽ được bổ sung ở giai đoạn sau. Hiện tại bạn tự chạy thử trên máy.

Tóm tắt

Bốn thời gian lưu trữ: tĩnh, luồng, tự động, cấp phát. Chuẩn không nhắc tới ngăn xếp hay heap.
static trong hàm đổi thời gian lưu trữ chứ không đổi phạm vi.
Chuẩn nói dùng giá trị của con trỏ treo là UB, không chỉ giải tham chiếu. Kể cả in nó ra.
realloc thành công làm mọi con trỏ vào vùng cũ trở nên bất định, nên giữ chỉ số thay vì con trỏ.
Mỗi con trỏ có đúng một chủ sở hữu, và quyền sở hữu phải ghi vào tài liệu của header.