使用 STL 容器发生异常的常见原因分析与总结

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目录

1、概述

2、使用STL列表中的元素越界

3、遍历STL列表删除元素时对迭代器自加处理有问题引发越界

4、更隐蔽的遍历STL列表删除元素时引发越界的场景

5、多线程同时操作STL列表时没有加锁导致冲突

6、对包含STL列表对象的结构体进行memset操作导致STL列表对象内存出异常

7、最后

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1、概述

       在项目代码中，我们会大量地使用C++标准库给我们提供的vector、list、map等STL标准模板库（Standard Template Library）容器。这些使用模版实现的容器列表很灵活、很好用，给我们日常编码带来了很大的便利。但在使用STL列表时可能会因为经验不足遇到这样或那样的问题。

       本文根据多年的项目问题排查经验以及遇到的多个问题场景，大概地总结一下操作STL列表时发生异常的常见原因，如下：

1）使用数组下标（仅能操作vector）或者使用迭代器直接去访问STL列表中的元素，但这些元素不存在，导致越界访问。一般是因为没有判断STL列表为空，或者没有判断要访问的元素是否存在。
2）在遍历STL列表删除元素时迭代器自加处理的有问题。
3）多线程同时操作STL列表时没有加锁保护，导致访问冲突。一般是一个线程在遍历STL列表，另一个线程在增删STL列表中的元素，导致访问冲突，出现异常崩溃。
4）结构体某个成员是STL列表对象，对结构体对象进行memset操作，破坏了STL内部的内存结构，导致访问STL列表时出异常。大家在定义结构体对象时，习惯性地进行了memset操作。但能进行memset的前提是，结构体中所有成员都必须是基本类型的！一旦结构体中包含C++类对象，是严禁进行memset操作的。

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2、使用STL列表中的元素越界

       比如我们在使用vector列表时，常使用数组下标的方式去访问列表中的元素，有时可能没有判断列表中元素个数，直接就使用下标去访问了，比如：

// 设备信息struct TDeviceInfo{    char szDeviceId[64];   // 设备id    char szDeviceName[64]; // 设备名称    char szIp[32];         // 设备ip    unsigned short uPort;  // 设备端口    int nDevType;          // 设备类型};vector<TDeviceInfo> vtDevList;int nDevType = vtDevlist[3].nDevType;

可能当前列表vtDevlist中的元素个数少于3个，但我们用数组下标的方式去强行访问了，导致Out of range访问越界了。

我们之所以通过数组下标去访问vector列表元素，不会平白无故地去访问，而是与我们的业务场景关联的。

       还有一种情况是使用迭代器去越界访问的：

vector<TDeviceInfo>::iterator iter = vtDevList.begin();int nDevType = iter->nDevType;

没有判断列表是否为空，强行去访问列表中的begin元素的。没有判断当前迭代器是否为end的，即

if (itor != vtDevList.end() ){}

这个问题场景，我们在项目中多次遇到过。

3、遍历STL列表删除元素时对迭代器自加处理有问题引发越界

       这是新人比较容易犯的错误。比如删除设备列表中设备类型等于1的所有设备，有问题的代码如下：

vector<TDeviceInfo> vtDevList;vector<TDeviceInfo>::iterator iter = vtDevList.begin();for (; iter != vtDevList.end(); iter++){    if (iter->nDevType == 1)    {        vtDevList.erase(iter);    }}

如果有元素被删除，在Debug下调试时，会报如下的错误：

​

       正确的写法是：

for (; iter != vtDevList.end(); ){    if (iter->nDevType == 1)    {        iter = vtDevList.erase(iter);    }    else    {        iter++;    }}

当执行erase操作后，迭代器iter原先的指向就失效了，不能再对其进行++操作，否则就越界了。对于迭代器变量iter，要分开处理，如果有删除元素，则将erase接口返回的迭代器赋值给iter；如果没有删除元素，直接对迭代器进行++操作。

新人在写遍历STL列表删除元素的代码时可能会犯上面的错误，没有区分对待。

4、更隐蔽的遍历STL列表删除元素时引发越界的场景

        这个问题场景和上面讲的遍历STL列表删除元素的场景类似，但本场景更有隐蔽性，这在以前的项目中遇到过。

这个问题是同事那边遇到的，在调试程序时老是在遍历STL列表时出现异常，于是找我过去帮忙排查一下。

       问题场景是这样子的，在遍历STL列表的for循环体中调了一个函数fun1，因为业务比较复杂，涉及了多个函数的调用，fun1函数内部调用了fun2函数，fun2函数中调了fun3函数，fun3函数中调用了fun4函数，问题就出在fun4函数中，fun4函数中居然将当前最上面正在遍历的STL列表中的元素删除了，演示代码如下：

vector<TDeviceInfo> vtDevList;vector<TDeviceInfo>::iterator iter = vtDevList.begin();for (; iter != vtDevList.end(); iter++){    // 调用fun1    fun1();}void fun2(){    // 调用fun3    fun3();}void fun3(){    // 调用fun4    fun4();}void fun4(){    // 此处删除了STL列表vtDevList中的内容}

从而出现在遍历STL列表时删除列表中元素的场景。应该像上面那个场景中那样，处理代码：

for (; iter != vtDevList.end(); ){    if (iter->nDevType == 1)    {        iter = vtDevList.erase(iter);    }    else    {        iter++;    }}

但实际上，因为当前问题场景中函数调用层次很深，不适合这样处理，只能将这种在遍历STL列表时删除元素的操作给取缔掉，重新编写代码控制逻辑。正是因为函数调用层次比较深，所以这个问题有很强的隐蔽性。

当时排查这个问题时，凭着经验，首先排除多线程同时操作同一个STL列表的场景，当时觉得大概率是遍历STL列表过程中有地方删除了STL列表中的元素导致的。然后沿着这个思路，最终在某个函数中找到了删除STL列表元素的代码。

5、多线程同时操作STL列表时没有加锁导致冲突

        多线程同时操作某个STL列表时产生问题的典型场景是，一个线程在遍历STL列表，另一个线程在对STL列表中的元素进行增删操作。一般在多线程操作共享资源时都要加锁，但加锁有个原则，尽量较小锁的范围，在锁的范围的代码要尽快执行完，不能影响其他线程的执行效率。

       这个问题，我们在项目中遇到不止一次了。有时可能比较具体隐蔽性，比如在另一个线程中调用某个函数接口，在该函数内部操作了一个公用的STL列表，然后出现了多线程同时操作STL列表的场景，有时较难发现这里面隐藏的多线程操作共享资源的问题，特别是在维护他人编写的代码模块时。

6、对包含STL列表对象的结构体进行memset操作导致STL列表对象内存出异常

       大家在定义结构体对象时，习惯性地在使用之前对结构体对象进行了memset操作。如果结构体中某个成员是STL列表对象，执行memse操作后，会破坏STL对象内部的内存结构，导致访问STL列表时出现异常。这个问题在项目中出现过，当时是一个新人写的代码（新人考虑问题不够全面，缺乏安全意识），因为缺乏经验，直接对一个包含STL列表对象的结构体进行memset操作，比如：（结构体TWindowInfo中包含了一个STL list成员）

typedef struct tagWindowInfo{public:HWND hWnd;                               // 当前窗口句柄char szWndName[256];                     // 当前窗口名称RECT m_rcWnd;                            // 当前窗口矩形坐标（在屏幕坐标系中）std::list<tagWindowInfo> childWndList;   // 当前窗口所有子窗口信息列表}TWindowInfo;// 结构体TWindowInfo中包含了一个list列表成员，下面直接对结构体对象执行了memset操作TWindowInfo tWndInfo;memset(&tWndInfo, 0, sizeof(tWndInfo));

导致程序在访问这个STL列表时出现了各种莫名其妙的错误，比如列表中的元素数据不对，执行STL列表类的成员函数发生异常崩溃。当时这个问题我查了很久，后来才发现是因为对结构体进行memset操作导致的。

      注意，能进行memset的前提是，结构体中所有成员都必须是基本类型的！一旦结构体中包含C++类对象，是严禁进行memset操作的。为什么不能对类对象进行memset操作呢？比如类中有虚函数，就会内置一个虚函数表指针，这个虚函数表指针中存放的是存放虚函数地址（代码段地址）的虚函数表，在调用虚函数时会用到这个虚函数表。如果对类对象进行memset操作，会将虚函数表指针中的值置为NULL，这样在调用虚函数时出现问题。对于虚函数调用的过程与机制，需要从汇编代码的角度去看，涉及到两次寻址，具体过程可以参见我之前写的文章：
几秒读懂C++虚函数调用的汇编代码实现https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/121046234       再比如，有些类实现的比较复杂，例如STL列表，类内部会有额外的变量去维护管理较复杂的内部内存结构，如果对这样的类对象进行memset操作，将维护内部内存结构的变量的值都只为NULL了，结果是不可预料（unexpected）的。 

         对STL列表执行memset操作引发异常的问题，我们在项目中遇到了两次，都是新人写的代码，两次的表现现象是不太一样的：

1）一次是在遍历STL列表读取列表中元素发现元素值异常。

2）一次是操作STL列表时产生了异常，直接将当前函数余下的代码都跳过了，导致该执行的代码没有执行，导致后续代码执行时逻辑出现异常。

       其实C++中的大部分问题都是内存问题，在分析这些问题时要从内存的角度去看。很多问题，从内存的角度去看，就好理解多了！变量本质上就是一块内存，给变量赋值就是向内存中写入内容，读变量的值就是读取内存中的内容，这一点从汇编代码上可以清晰地看出来！

7、最后

       在分析和解决问题时，大家要主动地多想想多思考，多倒腾倒腾里面的细节问题，必要的时候可以进行归纳与总结。很多细节知识点，都是相通的，搞懂一个细节，相关的细节点可能很快就能明白了！   

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