为何无关代码会修改std::vector大小并引发段错误？

尝试用列向量集合创建GMatrix对象时，发现一个未被任何代码操作的std::vector被意外篡改：初始化大小为1的vector，在创建GMatrix后大小莫名变为0，进而触发段错误。仅当列向量的数量（矩阵列数）大于向量维度（矩阵行数）时，才会出现该异常。

精简后的测试代码如下：

#include "GMatrix.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
    GVector<4> temp1{std::array<float,4>{0,0,0,0}};
    GVector<4> temp2{std::array<float,4>{0,0,0,0}};
    GVector<4> temp3{std::array<float,4>{0,0,0,0}};
    GVector<4> temp4{std::array<float,4>{0,0,0,0}};
    GVector<4> temp5{std::array<float,4>{0,0,0,0}};
    std::array<GVector<4>,5> myArray{temp1,temp2,temp3,temp4,temp5};
    //仅当向量数量大于向量维度时才会出现此异常行为
    
    std::vector<int> problem(1); //未使用的大小为1的vector
    
    printf("%d-",problem.size()); // 输出1-

    GMatrix<4,myArray.size()> desiredMat{myArray};

    printf("%d-",problem.size()); // 莫名输出0-
    printf("%d-",problem[0]); //因problem大小为0，此处触发段错误

    return 0;
}

GMatrix实现代码：

#include <array>
#include <vector>
#include <stdexcept>
#include "GVector.h"
template <size_t R, size_t C>
class GMatrix
{
public:

    std::array<float,R*C> data;

    //零矩阵
    GMatrix() : data{}{}
    GMatrix(std::array<float,R*C> matrixData){
        data = matrixData;
    }
    //通过列向量构造矩阵
    GMatrix(std::array<GVector<R>,C> vectors) : data{}{
        for (int i=0;i<C;i++) { //遍历每个向量
            for (int crd=0;crd<R;crd++) { //遍历每个坐标
                this->data[i*C + crd] = vectors[i].data[crd];
            }
        }
    }
};

注意：矩阵以一维数组形式存储，而非常规的二维形式。例如，第2行第1列的元素索引为[2*(列数)+1]

GVector实现代码：

#include <array>
#include <stdexcept>
template <size_t T>
class GVector
{
public:
    std::array<float,T> data;

    GVector() : data{}{}
    GVector(std::array<float,T> given) {
        this->data = given;
    }

    float& operator[](size_t index)
    {
        if(index>=T){
            std::out_of_range e("Index out of range");
            throw e;
        }
        return data[index];
    }
};

问题原因 #

问题出在GMatrix的列向量构造函数中，数组索引计算错误导致内存越界写入：

构造函数中使用i*C + crd作为data数组的索引，其中：

• i是列索引（0到C-1）
• C是矩阵的列数
• crd是行索引（0到R-1）

当C > R时（比如测试代码中R=4，C=5），索引的最大值为(C-1)*C + (R-1)，即4*5+3=23，但GMatrix的data数组大小是R*C=20，这意味着索引超出了数组的有效范围，会写入到数组之外的内存区域。而栈上的problem向量恰好位于该越界区域附近，因此其内部数据（包括记录大小的成员）被篡改，导致size变为0，最终触发段错误。

根据你标注的存储规则（第2行第1列元素索引为2*C +1），正确的索引计算应该是行索引×列数 + 列索引，也就是crd*C + i，而不是i*C + crd。

修复方案 #

修改GMatrix的列向量构造函数中的索引计算逻辑：

//通过列向量构造矩阵
GMatrix(std::array<GVector<R>,C> vectors) : data{}{
    for (int i=0;i<C;i++) { //遍历每个列向量
        for (int crd=0;crd<R;crd++) { //遍历向量的每个行元素
            this->data[crd*C + i] = vectors[i].data[crd];
        }
    }
}

修改后，索引的最大值为(R-1)*C + (C-1)，即3*5+4=19，刚好等于R*C-1=20-1=19，不会超出data数组的有效范围，也就不会篡改其他变量的内存。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者stackuser