C++产生未定义的行为的原因分析

前言

最近一直在做QT开发，编程环境是VS2017和QT5.11.2

经常遇到的问题就是，在VS中调试程序，前面都是正常运行的，但是当关闭窗口，退出程序的时候，VS会抛出一个异常 “未加载ntdll.pdb，触发了一个断点” ，“未加载ucrtbase.pdb，0x00007FF8E2F1DF28 (ucrtbase.dll) (Test.exe 中)处有未经处理的异常: 将一个无效参数传递给了将无效参数视为严重错误的函数” 等等类似的未加载xxx.pdb的错误。

这种错误产生的原因就是由于发生了未定义的行为。

未定义行为

• 未定义的行为是什么？
  在C++（以及其他编程语言）中，“未定义的行为”（Undefined Behavior，简称 UB）是指语言标准没有为某些代码行为提供明确的规范或定义，因此编译器不必为这种行为提供任何特定的支持或保证。
  当代码触发未定义的行为时，可能会发生以下情况之一（或更多）：
  • 程序崩溃：例如，通过无效指针引用内存；
  • 不可预测的输出：程序可能会产生意外的结果；
  • 随机行为：程序在不同的运行或在不同的平台上可能表现不同；
  • 安全漏洞：攻击者可能会利用未定义的行为来执行恶意操作；
  • 似乎“正常”工作：有时，未定义的行为可能不会立即显现出任何问题，但这不意味着问题不存在。在不同的情况、不同的编译器优化级别或不同的平台上，问题可能会突然显现。
• 一些常见的引起未定义行为的操作包括：
  • 解引用空指针；
  • 访问越界的数组元素；
  • 读取未初始化的变量；
  • 对一个对象使用 delete 多次；
  • 整数溢出（在某些情况下，例如有符号整数）。

产生原因以及解决

现在我说下我遇到的产出未定义行为的两个原因以及解决方法。

原因一：尝试删除同一个实例两次

我在代码中使用了QT的第三方库QWT，我在给我的qwtPlot设置坐标轴的时候，使用了下面的语句。

QwtLinearScaleEngine* scaleEngine = new QwtLinearScaleEngine();
scaleEngine->setAttribute(QwtScaleEngine::Floating);
ui->qwtPlot->setAxisScaleEngine(QwtPlot::xBottom, scaleEngine);
ui->qwtPlot->setAxisScaleEngine(QwtPlot::yLeft, scaleEngine);

这样会产生一个异常：

产生的原因是：
我为代码中的 Qwt 创建了一个新的 QwtLinearScaleEngine 并设置了其属性，然后将其设置为 qwtPlot 的两个轴（xBottom 和 yLeft）的比例尺引擎。问题在于我为两个不同的轴使用了相同的比例尺引擎实例。当 qwtPlot 在程序结束或其析构函数中被销毁时，它将尝试删除与其关联的资源。这意味着它可能会尝试删除同一个 scaleEngine 实例两次，这会导致未定义的行为。

解决的方法也很简单：
让两个坐标轴使用不同的比例尺引擎实例即可。

QwtLinearScaleEngine* scaleEngine1 = new QwtLinearScaleEngine();
QwtLinearScaleEngine* scaleEngine2 = new QwtLinearScaleEngine();
scaleEngine1->setAttribute(QwtScaleEngine::Floating);
scaleEngine2->setAttribute(QwtScaleEngine::Floating);
ui->qwtPlot->setAxisScaleEngine(QwtPlot::xBottom, scaleEngine1);
ui->qwtPlot->setAxisScaleEngine(QwtPlot::yLeft, scaleEngine2);

成功解决问题。

原因二：使用fclose关闭一个“ nullptr” 文件指针

我在代码中定义了一个文件指针FILE* fp，并且初始化为nullptr

FILE* fp = nullptr;

在析构函数中，我直接使用fclose(fp)来关闭了这个文件指针，这样在退出程序时会产生异常：

产生的原因是：
在 C 标准库中，尝试使用 fclose 关闭一个 nullptr 文件指针是未定义的行为。C标准文档并没有明确指定在这种情况下应该发生什么，所以结果可能因编译器和平台而异。在某些实现中，这样做可能不会有任何明显后果，而在其他实现中，它可能会导致运行时错误（如上所示）。这与 delete 在 C++ 中的行为不同。在 C++ 中，尝试删除一个 nullptr 指针是明确定义为安全的无操作。但在 C 的 fclose 函数中，这种行为没有明确定义，所以应该避免。

解决方法：
在关闭这个文件指针时，先判断是否为空。

if (fp != nullptr)
{fclose(fp);fp = nullptr;
}

完美解决。

为了写出健壮和可靠的代码，开发者应尽量避免触发未定义的行为。这通常需要对编程语言的规范和相关的库有深入的了解，以及使用各种工具（如静态分析器、内存检查器如 Valgrind、fuzz 测试工具等）来检测和避免潜在的问题。