在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)或者軟件設(shè)計(jì)時(shí)，有沒有遇到過下面的這種情況：

程序本來運(yùn)行的好好的，莫名其妙的就出現(xiàn)了bug，但是還找不到出現(xiàn)bug的規(guī)律？

已經(jīng)驗(yàn)證好的產(chǎn)品，到客戶那里突然出現(xiàn)了問題？

出現(xiàn)的bug總是莫名其妙，找不到規(guī)律，感覺像“幽靈”一般的存在？

增加了一行無關(guān)的代碼，程序就不能運(yùn)行了？

其實(shí)，有的時(shí)候，問題原因會(huì)以一種微妙的方式影響代碼的存在，今天我們重點(diǎn)講解一下難以發(fā)現(xiàn)的、容易導(dǎo)致軟件問題的5種情況，以及所對應(yīng)的應(yīng)對措施。

01

堆棧溢出

肯定很多程序員都非常了解“堆棧溢出”這種情況。堆棧溢出可能會(huì)對數(shù)據(jù)或者指令造成破壞，從而影響程序的正確運(yùn)行。 并且，發(fā)生堆棧溢出這種錯(cuò)誤，在嵌入式設(shè)備程序中造成的影響比計(jì)算機(jī)中更大。通常有以下幾種原因：

1、嵌入式系統(tǒng)通常使用較少的RAM

2、通常沒有可依賴的虛擬內(nèi)存（因?yàn)闆]有磁盤）

3、基于RTOS任務(wù)的固件設(shè)計(jì)使用多個(gè)堆棧（每個(gè)任務(wù)一個(gè)），每個(gè)堆棧的大小必須足夠大，以確保不受唯一最壞情況堆棧深度的影響

4、中斷處理程序可能會(huì)嘗試使用這些堆棧 在進(jìn)行相關(guān)測試的時(shí)候，有的時(shí)候堆棧溢出這種錯(cuò)誤我們并不能測試出來，這就造成了：經(jīng)過測試驗(yàn)證的程序，到客戶處突然運(yùn)行異常了。

為了避免發(fā)生堆棧溢出這種錯(cuò)誤，我們可以通過自上而下的代碼控制流分析方法，來證明代碼是否會(huì)出現(xiàn)堆棧溢出錯(cuò)誤。

避免措施：

1、確定好自己程序定義的堆棧的全部空間地址；

2、在臨近堆棧的位置，定義固定地址的數(shù)組或者數(shù)據(jù)；

3、在程序中實(shí)時(shí)檢查數(shù)組或者數(shù)據(jù)的值，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)改變，證明發(fā)生了堆棧溢出，增加特殊的處理姿勢：如讓設(shè)備進(jìn)入到特定的安全模式，或者輸出當(dāng)前的PC地址等。

02

競爭條件

在程序運(yùn)行過程中，大量的、無序的任務(wù)一直在運(yùn)行，但是資源是有限的，兩個(gè)不同的任務(wù)之間可能就存在競爭資源的情況，由于兩個(gè)或者多個(gè)進(jìn)程競爭使用不能被同時(shí)訪問的資源，使得這些進(jìn)程有可能因?yàn)闀r(shí)間上推進(jìn)的先后原因而出現(xiàn)問題，這叫做競爭條件。

條件競爭就是兩個(gè)或者多個(gè)進(jìn)程或者線程同時(shí)處理一個(gè)資源（如全局變量、文件等）產(chǎn)生非預(yù)想的執(zhí)行效果，從而產(chǎn)生程序執(zhí)行流的改變，從而達(dá)到攻擊的目的。

防止條件競爭的方法如下：

1、采用某種保護(hù)機(jī)制來保護(hù)數(shù)據(jù)(如互斥體)，確保只有進(jìn)行修改的線程才能看到不變量被破壞時(shí)的中間狀態(tài)；

2、使用無鎖編程；

3、使用事務(wù)來處理更新，將數(shù)據(jù)和讀取都存儲(chǔ)到事務(wù)日志中，然后將之前的操作合并為一步，再進(jìn)行提交。當(dāng)數(shù)據(jù)被另一個(gè)線程修改后，或處理已經(jīng)重啟的情況下，提交就會(huì)無法進(jìn)行。

03

不可重入函數(shù)

首先需要區(qū)分什么是可重入什么是不可重入函數(shù)？

可重入函數(shù)：可重入函數(shù)可以由多個(gè)任務(wù)并發(fā)使用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

不可重入函數(shù)：不能由超過一個(gè)任務(wù)所共享，除非能確保函數(shù)的互斥（或者使用信號量，或者在代碼的關(guān)鍵部分禁用中斷）

一些常見的不可重入函數(shù)的情形：

函數(shù)中使用了靜態(tài)變量，無論是全局變量還是局部靜態(tài)變量

函數(shù)返回靜態(tài)變量

函數(shù)中調(diào)用了不可重入函數(shù)

函數(shù)體內(nèi)使用了靜態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

函數(shù)體內(nèi)調(diào)用了malloc()或者free()函數(shù)

函數(shù)體內(nèi)調(diào)用了其他標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)

函數(shù)是singleton中的成員函數(shù)而且使用了不使用線程獨(dú)立存儲(chǔ)的成員變量

總得來說，如果一個(gè)函數(shù)在重入條件下使用了未受保護(hù)的共享資源，那么他就是不可重入的。

例如兩個(gè)函數(shù)func1和func2都是不可重入函數(shù)：對多線程條件下，操作系統(tǒng)會(huì)在func1還沒有執(zhí)行完的情況下，切換到另一個(gè)線程中，那個(gè)線程可能再次調(diào)用func1，這樣狀態(tài)就錯(cuò)了。

避免措施：

在每個(gè)庫或驅(qū)動(dòng)程序模塊中創(chuàng)建并隱藏一個(gè)本質(zhì)上不可重入的互斥鎖。將此互斥鎖的獲取作為操作整個(gè)模塊中使用的任何持久數(shù)據(jù)或共享寄存器的先決條件。

04

優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)

優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)是當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)通過信號量機(jī)制訪問共享資源時(shí)，該信號量已被一低優(yōu)先級任務(wù)占有，因此造成高優(yōu)先級任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級任務(wù)阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。

比較經(jīng)典的由于優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)造成的事故就是當(dāng)年的火星探路者號，就由于，此處所說的，優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，而導(dǎo)致了內(nèi)部執(zhí)行邏輯出錯(cuò)的bug。

在1997年7月4號發(fā)射后，在開始搜集氣象數(shù)據(jù)之后沒幾天，系統(tǒng)（無故）重啟了。后來，當(dāng)然，被相關(guān)技術(shù)人員找到問題根源，就是，這個(gè)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的，然后修復(fù)了此bug。

解決措施：

1、優(yōu)先級天花板

優(yōu)先級天花板是當(dāng)線程申請某資源時(shí)，把該線程的優(yōu)先級提升到可訪問這個(gè)資源的所有線程中的最高優(yōu)先級，這個(gè)優(yōu)先級稱為該資源的優(yōu)先級天花板。這種方法簡單易行，不必進(jìn)行復(fù)雜的判斷，不管線程是否阻塞了高優(yōu)先級線程的運(yùn)行， 只要線程訪問共享資源都會(huì)提升線程的優(yōu)先級。

2、優(yōu)先級繼承

優(yōu)先級繼承是當(dāng)線程A申請共享資源Source時(shí)，如果共享資源Source正在被線程C使用，通過比較線程C與自身的優(yōu)先級，如發(fā)現(xiàn)線程C的優(yōu)先級小于自身的優(yōu)先級， 則將線程C的優(yōu)先級提升到自身的優(yōu)先級，線程C釋放資源Source后，再恢復(fù)線程C的原優(yōu)先級。這種方法只在占有資源的低優(yōu)先級線程阻塞了高優(yōu)先級線程時(shí)才動(dòng)態(tài)的改變線程的優(yōu)先級。

05

內(nèi)存泄漏

內(nèi)存泄漏（Memory Leak）是指程序中已動(dòng)態(tài)分配的堆內(nèi)存由于某種原因程序未釋放或無法釋放，造成系統(tǒng)內(nèi)存的浪費(fèi)，導(dǎo)致程序運(yùn)行速度減慢甚至系統(tǒng)崩潰等嚴(yán)重后果。

解決措施： 當(dāng)申請了動(dòng)態(tài)區(qū)域，用完的時(shí)候一定要記得釋放（free），如果沒有釋放，那么這塊內(nèi)存區(qū)域就將處于不可用狀態(tài)（就像占著茅坑不拉屎一樣），程序大了或運(yùn)行久了就極有可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存的泄露（重啟一下就能解決90%的問題根源），同時(shí)我們在釋放的時(shí)候也要注意釋放的內(nèi)存只能釋放一次，不要重復(fù)的釋放，有的時(shí)候代碼量會(huì)比較大，所以有可能會(huì)在不止一處地方進(jìn)行了代碼的釋放操作。因?yàn)槲覀儍?nèi)存釋放了一次后，該內(nèi)存區(qū)域就有可能用來做別的事了，如果這時(shí)候我們又再釋放一遍就很有可能會(huì)出現(xiàn)問題了。釋放完之后最好把指針指向空地址，避免下次再使用指針的時(shí)候出現(xiàn)地址的錯(cuò)誤。

審核編輯：劉清