大小在运行时确定的数组的分段错误

Question

我创建了一个程序，该程序应该从二进制文件中读取两个 3D 矩阵，将它们相乘，然后将结果打印到二进制文件中。然而，虽然它成功编译，但当我运行它时，它给了我一个分段错误错误。

这是我用于该程序的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int n;
    int n2;

    int matrix1[n][n][n], matrix2[n][n][n], result_matrix[n][n][n];

    FILE *file1, *file2, *result;

    file1 = fopen("matrix1.bin", "rb");
    file2 = fopen("matrix2.bin", "rb");

    fread(&n, sizeof(int), 1, file1);
    fread(&n2, sizeof(int), 1, file2);

    if (n != n2 || n > 100) {
        printf("Error: Incompatible matrices or n greater than 100.");
        return 1;
    }

    fread(matrix1, sizeof(int), n * n * n, file1);
    fread(matrix2, sizeof(int), n * n * n, file2);

    fclose(file1);
    fclose(file2);

    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        for (int j = 0; j < n; ++j) {
            for (int k = 0; k < n; ++k) {
                result_matrix[i][j][k] = 0;

                for (int l = 0; l < n; l++) {
                    result_matrix[i][j][k] += matrix1[i][j][l] * matrix2[l][j][k];
                }
            }
        }
    }

    result = fopen("result.bin", "wb");

    fwrite(&n, sizeof(int), 1, result);
        
    fwrite(result_matrix, sizeof(int), n * n * n, result);

    fclose(result);

    return 0;
}

这就是发生分段错误的具体位置：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x0000555555555c3a in main () at 31504085_1.c:35
35                    result_matrix[i][j][k] += matrix1[i][j][l] * matrix2[l][j][k];

您可以做什么来帮助解决这个问题？

Answer 1

正如评论所指出的，您确实应该在编译器标志中调高警告级别。 这就是你这样做后可以获得的。警告消息清楚地指出了问题，

<source>: In function 'main':
<source>:8:5: warning: 'n' is used uninitialized [-Wuninitialized]
    8 |     int matrix1[n][n][n], matrix2[n][n][n], result_matrix[n][n][n];
      |     ^~~
<source>:5:9: note: 'n' declared here
    5 |     int n;
      |         ^

使用未初始化的变量会产生不确定的值，这本身并不是未定义的行为，但使用不确定的值声明数组（具体来说，VLA，稍后会详细介绍该主题）可能会导致未定义的行为，因为前提条件是大小表达式必须计算为大于零的值，否则可能会被违反。当它确实导致未定义的行为时，任何事情都可能发生，而段错误是许多可能的结果之一。无论是否存在未定义的行为，使用不确定的值来声明数组在语义上都是错误的，并且绝对是您想要实现的目标。

因此，第一次修复尝试是：

    int n;

    /* ... */

    fread(&n, sizeof(int), 1, file1);
    
    /* ... */

    int matrix1[n][n][n], matrix2[n][n][n], result_matrix[n][n][n];

当您声明一个像

matrix1[n][n][n]

这样的数组时，其中维度的范围不是整数常量表达式，您正在使用C语言中的一个功能，称为可变长度数组（简称VLA）。此功能不需要符合标准的 C 编译器支持，并且根据定义，您的程序不太可移植。考虑到这一点并假设您确定您的编译器确实支持 VLA，并且自 C23 以来，这也意味着对可变修改类型 (VM) 的支持，让我们进一步检查代码的其他问题。

假设您的实现确实使用了堆栈，则由实现决定是否将 VLA 放入堆栈中。在典型的实现中，堆栈大小是有限的，如果您尝试使用占用过多空间的 VLA，堆栈将崩溃并再次导致段错误。由于我们已经假设您的实现支持 VM，因此您应该使用

malloc

为空闲存储中的 VLA 分配内存。通过利用对 VM 的支持，您可以在不失去多维数组访问语法的便利性的情况下做到这一点。为了让事情变得更容易，我们可以使用

typedef

。我还修改了代码来检查

fread

的返回值，以防止出现空文件。您还应该始终检查程序中其他标准库函数的返回值（如果可用）。

    int n;

    /* ... */

    if(fread(&n, sizeof(int), 1, file1) != 1){
        fputs("Failed to read matrix dimension.\n", stderr);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    
    /* ... */
    typedef int (*matrix_t)[n][n][n]; //A variably-modified type
    matrix_t matrix1 = malloc(sizeof *matrix1);
    if(!matrix1){
         fputs("Malloc failed: matrix1.\n", stderr);
         return EXIT_FAILURE;
    }
    matrix_t matrix2 = malloc(sizeof *matrix2);
    /* ... */

然后，在循环内，您可以取消引用指针来执行实际计算，

    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        for (int j = 0; j < n; ++j) {
            for (int k = 0; k < n; ++k) {
                (*result_matrix)[i][j][k] = 0;

                for (int l = 0; l < n; l++) {
                    (*result_matrix)[i][j][k] += (*matrix1)[i][j][l] * (*matrix2)[l][j][k];
                }
            }
        }
    }

在函数结束时，你应该记住

free

分配的内存，

    free(matrix1);
    free(matrix2);
    free(result_matrix);
    return EXIT_SUCCESS;