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动态数组索引越界问题

2024-07-11 18:36:15   227人阅读

1、在C++中，可以采用几种不同的方法创建一个某种类型T的对象的数组。3种常用的方法如下：

#define N 10 //数组的长度N在编译时已知
  T static_array[10];

  int n = 20; //数组的长度n是在运行时计算的
  T* dynamic_array = new T[n];

  std::vector<T> vector_array; //数组的长度可以在运行时进行修改

当然，我们仍然可以使用calloc()和malloc()函数，并且这样的程序仍然能够通过编译并顺利运行。但是，混合C和C++代码并不是良好的编程思路，除非由于依赖遗留的C函数库的原因而必须这样做。不管我们用什么方法分配数组，都可以用一个无符号整数作为索引访问数组中的元素。

const T& element_of_static_array = static_array[index];
const T& element_of_dynamic_array = dynamic_array[index];
const T& element_of_vector_array = vector_array[index];

如果我们提供一个大于或等于数组长度的索引值，会发生什么情况呢？以上的代码都会安静的返回垃圾数据。如果我们决定在赋值符的左边使用[]操作符，情况就会变得更糟。

some_array[index] = x;
取决于运气，这个操作可能会重写其他某个不相关的变量，一个其他数组的元素甚至是一条程序指令。在最后一种情况下，程序很可能会崩溃。每种错误都向恶意入侵者提供机会接管程序并产生不良后果。但是，std::vector提供了一个at(index)函数，它通过抛出一个out_of_range异常执行边界检查。它的问题在于如果我们想执行这种安全检查，必须在访问数组元素的每个地方都严格地使用at()函数。显然，这种做法会降低代码的效率。因此在完成了测试之后，我们可能想用速度更快的[]操作符在每处对它进行替换。但是，这种替换需要对代码进行大量的修改，工作量很大，并且在此之后还要对代码进行重新测试，因为在这个乏味的过程中，很可能会不小心输错数据。

因此较之使用at()函数，使用以下的方法。尽管动态数组使[]操作符完全超出自己的控制，但STL的vector容器把它实现为一个C++函数，我们可以根据自己的缺陷捕捉目标对它进行改写，例如，重新定义[]操作符：

T& operator [](size_type index)
{
	SCPP_TEST_ASSERT(index < std::vector<T>::size(),
		"Index "<<index<<" must be less than "
		<<std::vector<T>::size());
	return std::vector<T>::operator[](index);
}

const T& operator [](size_type index) const
{
	SCPP_TEST_ASSERT(index < std::vector<T>::size(),
		"Index "<<index<<" must be less than "
		<<std::vector<T>::size());
	return std::vector<T>::operator[](index);
}

使用上面定义的文件中的代码，举例如下：

#include <iostream>
#include "scpp_vector.hpp"

using namespace std;

int main()
{
	scpp::vector<int> vect;
	for(int i=0; i<3; i++)
		vect.push_back(i);

	cout<<"My vector = "<<vect<<endl;

	for(int i=0; i<=vect.size(); i++)
		cout<<"Value of vector at "<<i<<" is "<<vect[i]<<endl;

	return 0;
}
首先，我们并没有采用std::vector<int>或简单的vector<int>这样的写法，而是采用了scpp::vector<int>的形式。这是为了把我们的vector与STL的vector区分开来。通过使用scpp::vector，我们把标准实现替换为我们自己的安全实现。scpp::vector还提供了一个<<操作符，因此只要vector不要太大，并且类型T定义了<<操作符，就可以用这个操作符打印vector。

在第二个for循环中，我们没有使用i<vect.size()的写法，而是写成了i<=vect.size()。这是一个极为常见的编程错误，我们只是为了观察当索引越界时会出现什么情况，其实，程序的结果输出为：

My vector = 0 1 2
     Value of vector at 0 is 0
     Value of vector at 1 Value of vector at 2 is 2
     Index 3 must be less than 3 in file scpp_vector.hpp
只要SCPP_TEST_ASSERT_ON符号已被定义，这个安全检查就会起作用，并可以方便的根据需要在编译时打开或关闭这个检查。这种方法的问题是vector的[]操作符在循环内部的使用极为频繁，因此这种安全检查会被大量使用，因为会显著地降低程序的执行速度，就像使用at()函数一样。如果觉得这种方法不适合自己的程序，可以定义一个新宏，例如SCPP_TEST_ASSERT_INDEX_OUT_OF_BOUNDS，它的工作方式与SCPP_TEST_ASSERT完全相同，但只在scpp::vector::operator[]内部使用。SCPP_TEST_ASSERT_OUT_OF_BOUNDS与SCPP_TEST_ASSERT的区别应该是它的打开或关闭与SCPP_TEST_ASSERT宏无关，因此如果确信代码没有缺陷，就可以使它处于未激活状态，同时又让其他的安全检查继续有效。

除了允许捕捉索引越界错误之外，vector模板较之静态分配的数组和动态分配的数组还有一个优点，即它的长度可以根据需要增长（只要内存没有耗尽）。但是，这个优点是要付出代价的。如果一个vector预先并未声明需要多少内存，它就会分配一些默认内存（称为它的“容量”）。当这个vector的实际大小达到了这个容量时，它将分配一块更大的内存，把旧数据复制到这块新的内存区域，并用它替换旧的那块内存。因此，随着时间的推移，向vector模板添加一个新元素可能突然变得非常缓慢。因此，如果预先知道需要多少元素，应该像静态数组和动态数组一样，在构造函数中告诉vector需要多少内存：

scpp::vector<int> vect(n);
这样就创建了一个具有指定元素数量的vector，其实我们还可以写成如下：

scpp::vector<int> vect(n, 0);
它还把所有的元素初始化为一个指定的值。

另一种替代方法是创建一个0个元素的vector，但是指定它所需要的容量。

scpp::vector<int> vect;
vect.reserve(n);

这个例子和前一个例子的区别在于，这个例子中的vector是空的（即vector.size()的返回值是0），但是当我们开始向它添加元素时，在它的长度达到n之前，不会出现导致速度降低的容量增长现象。


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