面试题：C语言复杂指针与数组场景下的错误处理

Question

假设有一个结构体`struct Node { int data; struct Node *next; };`，定义一个指向结构体指针的数组`struct Node **nodeArray`，通过动态内存分配为该数组分配空间，并向其中每个元素分配结构体空间。之后，编写一个函数，接受这个数组作为参数，通过指针操作对结构体中的数据进行特定运算。请详细描述在整个过程中，包括内存分配、指针操作、函数调用等环节，可能出现的所有指针与数组相关的错误，以及全面且深入的预防措施。

Answer 1

1. 内存分配可能出现的错误及预防措施

1.1 为nodeArray分配内存失败

• 错误描述：nodeArray = (struct Node **)malloc(n * sizeof(struct Node *)); 语句可能因为系统内存不足而返回 NULL，导致后续对 nodeArray 的操作引发未定义行为。
• 预防措施：在调用 malloc 后立即检查返回值，若返回 NULL，进行相应处理，如输出错误信息并终止程序。

nodeArray = (struct Node **)malloc(n * sizeof(struct Node *));
if (nodeArray == NULL) {
    fprintf(stderr, "Memory allocation failed for nodeArray\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

1.2 为nodeArray中每个元素分配结构体空间失败

• 错误描述：nodeArray[i] = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node)); 语句同样可能因为内存不足返回 NULL，如果未检查，后续对 nodeArray[i] 的操作会导致未定义行为。
• 预防措施：在每次调用 malloc 为 nodeArray[i] 分配空间后检查返回值，若为 NULL，释放之前已分配的内存并进行错误处理。

for (int i = 0; i < n; i++) {
    nodeArray[i] = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
    if (nodeArray[i] == NULL) {
        for (int j = 0; j < i; j++) {
            free(nodeArray[j]);
        }
        free(nodeArray);
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed for nodeArray[%d]\n", i);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

2. 指针操作可能出现的错误及预防措施

2.1 野指针问题

• 错误描述：在释放 nodeArray 及其元素所指向的内存后，未将指针置为 NULL，后续可能误操作这些指针，访问已释放的内存。
• 预防措施：在释放内存后立即将指针置为 NULL。

for (int i = 0; i < n; i++) {
    free(nodeArray[i]);
    nodeArray[i] = NULL;
}
free(nodeArray);
nodeArray = NULL;

2.2 指针越界

• 错误描述：在对 nodeArray 进行操作时，可能因为错误的索引值访问到数组范围外的内存，如 nodeArray[-1] 或 nodeArray[n]。
• 预防措施：在访问 nodeArray 元素时，确保索引值在有效范围内，可通过边界检查实现。

for (int i = 0; i < n; i++) {
    // 对nodeArray[i]进行操作
}

2.3 空指针解引用

• 错误描述：在未初始化 nodeArray 或 nodeArray[i] 的情况下尝试解引用指针，如 printf("%d", nodeArray[0]->data); 当 nodeArray[0] 为 NULL 时会导致未定义行为。
• 预防措施：在解引用指针前，确保指针不为 NULL。

if (nodeArray[0] != NULL) {
    printf("%d", nodeArray[0]->data);
}

3. 函数调用可能出现的错误及预防措施

3.1 传递空指针

• 错误描述：将 NULL 作为 nodeArray 传递给函数，函数内部未进行检查，导致空指针解引用等未定义行为。
• 预防措施：在函数入口处检查传入的指针是否为 NULL，若为 NULL，进行错误处理，如返回错误码或输出错误信息。

void processArray(struct Node **nodeArray, int n) {
    if (nodeArray == NULL) {
        fprintf(stderr, "Invalid input: nodeArray is NULL\n");
        return;
    }
    // 函数主体
}

3.2 数组大小不匹配

• 错误描述：函数期望处理的数组大小与实际传递的数组大小不一致，可能导致访问越界等问题。
• 预防措施：在函数参数中明确传递数组大小，并在函数内部进行边界检查，确保操作在有效范围内。

void processArray(struct Node **nodeArray, int n) {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (nodeArray[i] != NULL) {
            // 对nodeArray[i]进行操作
        }
    }
}