C语言malloc分配已用堆内存致结构体值异常问题

问题现象 #

执行代码后，network.layers[0].weights.column_size的值在调用create_matrix后意外从2变为0：

layer l = linear(2, 3);
neural_network network = create_network();
add_layer(&network, &l);
printf("Before: %llu\n", network.layers[0].weights.column_size);
matrix i = create_matrix(2, 1);
printf("After: %llu\n", network.layers[0].weights.column_size);

输出结果：

Before: 2
After: 0

地址打印显示，network.layers[0].weights.column_size的内存地址与create_matrix中mat.array的地址完全重合，说明堆内存被非法覆盖：

Address of network.layers[0].weights.column_size: 0x600000b4c010
Before: 2
Address of mat.array: 0x600000b4c010
After: 0

问题根源 #

add_layer函数的内存分配计算错误：

void add_layer(neural_network *network, layer *l) {
    network->layers = realloc(network->layers, ++network->number_of_layers);
    network.layers[network->number_of_layers - 1] = *l;
}

realloc的第二个参数需要传入总字节数，但这里只传入了层数（++network->number_of_layers），而每个layer结构体的大小远大于1字节。这导致分配的内存空间严重不足，赋值*l到network.layers数组时发生堆内存越界写入，破坏了后续malloc的内存布局，最终让create_matrix返回的mat.array指针覆盖了目标结构体成员的值。

修复代码 #

修改add_layer函数，正确计算所需内存大小：

void add_layer(neural_network *network, layer *l) {
    network->number_of_layers++;
    // 分配 sizeof(layer) * 层数 的字节数
    network->layers = realloc(network->layers, sizeof(layer) * network->number_of_layers);
    
    // 推荐：检查内存分配是否成功
    if (network->layers == NULL) {
        perror("Failed to reallocate memory for layers");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    network->layers[network->number_of_layers - 1] = *l;
}

另外，create_network中初始分配0大小内存可优化为直接初始化layers为NULL（realloc(NULL, size)等价于malloc(size)）：

neural_network create_network() {
    neural_network network = { 
        .number_of_layers = 0,
        .layers = NULL 
    };
    return network;
}

额外提示 #

• 务必检查malloc/realloc的返回值，避免内存分配失败引发后续未知错误
• 当前代码中layer包含matrix结构体，matrix持有堆内存指针，属于浅拷贝。后续如果需要释放内存，要注意避免重复释放或内存泄漏问题

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Aayush