指针算术操作的正确方法及内存访问崩溃问题排查

测试代码 #

#include<stdio.h>
typedef struct cache_malloc {
    int     size;
    int     flags;
    struct cache_malloc *fwd;
    struct cache_malloc *bak;
} cache_malloc_t;

int main()
{
  cache_malloc_t cmp;
  cache_malloc_t *new = &cmp;
  new->size = 10;
  new->flags = 1;
  
  printf("======without Arithematic======\n");
  printf("(char *)new = %p \n",  (((char *)new)));
  printf("(void *)new = %p \n",  (((void *)new)));
  printf("(int *)new = %p \n",  (((int *)new)));

  printf("======with Arithematic======\n");
  printf("(char *)new = %p \n",  ((((char *)new)+ 26)));
  printf("(void *)new = %p \n",  ((((void *)new)+ 26)));
  printf("(int *)new = %p \n",  ((((int *)new) + 26)));

  return 0;
}

输出结果 #

======without Arithematic======
(char *)new = 0xffd65dcc 
(void *)new = 0xffd65dcc 
(int *)new = 0xffd65dcc 
======with Arithematic======
(char *)new = 0xffd65de6 
(void *)new = 0xffd65de6 
(int *)new = 0xffd65e34 

问题场景 #

未执行指针算术时，不同类型指针转换后的起始地址完全一致，但执行算术操作后结果差异明显。同时业务代码出现内存访问崩溃：

崩溃代码 #

cache_malloc_t *cmp;
cache_malloc_t *cmp2;
cmp2 = (cache_malloc_t *)((int32)cmp + cmp->size + sizeof(cm_cache_malloc_t));
cmp2->size = save; // 此处触发core dump

尝试修改后的代码 #

// 仍触发core dump
cmp2 = (cache_malloc_t *)((int32 *)cmp + cmp->size + sizeof(cm_cache_malloc_t)); 
// 运行正常
cmp2 = (cache_malloc_t *)((char *)cmp + cmp->size + sizeof(cm_cache_malloc_t)); 

原理分析 #

指针算术的核心是按指针指向类型的字节大小进行偏移，而非直接偏移数值本身：

• char*类型：char的大小为1字节，(char*)ptr + N实际偏移N个字节，是精准的字节级偏移。
• int*/int32*类型：int/int32的大小通常为4字节，(int*)ptr + N实际偏移N * 4个字节，偏移量会被放大。
• void*类型：C标准不允许对void*直接执行算术操作，部分编译器会将其当作char*处理，但属于非标准行为。
• 指针转整数算术：将指针转为int32这类窄整数类型时，64位系统下指针地址会被截断，导致计算出的地址完全错误。

正确的指针算术方法 #

• 字节级偏移用char*转换：当需要按实际字节数偏移指针时，先将指针转为char*类型再执行算术，确保偏移量是精准的字节数。
• 避免对非字符类型指针做字节偏移：用int*等类型做算术时，偏移量会自动乘以类型大小，极易导致地址超出预期范围。
• 禁止指针转窄整数算术：64位系统中指针长度为8字节，用32位整数存储会截断地址，直接引发内存访问错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者RandomGuy