C语言函数指针详解

Introduction

上一个lab的主要内容为__data pointer__(指向数据的指针)可能在Linux系统中造成的__segmentation fault__。本次lab将考虑__function pointer__(指向函数/代码的指针)可能造成的错误：segfault或其他exceptions。

函数指针 Function Pointers

一个函数指针可以像函数一样被调用，包括传递参数和获得返回结果。函数指针的一些用途是用于编写泛型generic函数，有时是一种面向对象的样式，也用于实现回调。

在函数中，有物理内存地址可以赋值给指针，而一个函数的函数名就是一个指针，指向函数的代码；
一个函数的地址就是该函数的进入点，也是调用函数的地址；
函数的调用可以通过函数名，也可以通过指向函数的指针；
函数指针还允许将函数作为变元传递给其他函数；
没有括号和变量列表的函数名也可以表示函数的地址（数组中，不带下标的数组名表示数组的首地址）

定义形式

类型 (*指针变量名) (参数列表)；

如， int (*p)(int i, int j);

→ p是一个指针，它指向一个函数，该函数有两个整型参数，返回类型为int；p首先和*结合，表明p是一个指针，再与( )结合，表明它指向的是一个函数。

调用函数指针

(*p) (argument)

p (argument)

例子

#include <stdio.h>
#define  GET_MAX 	0
#define  GET_MIN 	1
int get_max(int i,int j)
{
	return i>j?i:j;
}
int get_min(int i,int j)
{
	return i>j?j:i;
}
int compare(int i,int j,int flag)
{
	int ret;
	//这里定义了一个函数指针，就可以根据传入的flag，灵活地决定其是指向求大数或求小数的函数
	//便于方便灵活地调用各类函数
	int (*p)(int,int);
	if(flag == GET_MAX)
		p = get_max;
	else
		p = get_min;
	ret = p(i,j);
	return ret;
}
int main()
{
	int i = 5,j = 10,ret;
	ret = compare(i,j,GET_MAX);
	printf("The MAX is %d\n",ret);
	ret = compare(i,j,GET_MIN);
	printf("The MIN is %d\n",ret);
	return 0 ;
}

#include <stdio.h>
#include <string.h>
void check(char *a,char *b,int (*cmp)(const char *,const char *));
main()
{
    char s1[80],s2[80];
    int (*p)(const char *,const char *);
	//将库函数strcmp的地址赋值给函数指针p
    p=strcmp;
    printf("Enter two strings.\n");
    gets(s1);
    gets(s2);
    check(s1,s2,p);
}
void check(char *a,char *b,int (*cmp)(const char *,const char *))
{
    printf("Testing for equality.\n");
	//表达式(*cmp)(a,b)调用strcmp，由cmp指向库函数strcmp()，由a和b作调用strcmp()的参数。
	//调用时，与声明的情况类似，必须在*cmp周围使用一对括号，使编译程序正确操作，
	//同时这也是一种良好的编码风格，指示函数是通过指针调用的，而不是函数名。
    if((*cmp)(a,b)==0)
        printf("Equal\n");
    else
        printf("Not Equal\n");
}

int *f(int i, int j);

int (*p)(int i, int j);

前者是返回值是指针的函数；后者是一个指向函数的指针。

注意本实验用到的技巧也将会在JIT编译器（如，浏览器中的JavaScript编译器）中出现，因为它们也是将数据转换为代码，然后再调用。请注意，试图执行代码的攻击可能会使用本实验室的变体。这个实验也说明了一个常见的错误，可能是不确定的。

Exercise 1：qsort中的函数指针

为什么 q s o r t ( ) qsort() qsort() 使用函数指针？
- q s o r t ( ) qsort() qsort() 是对任何类型的数组数据的通用排序例程(generic sorting routine )，因此，不同的数据类型需要不同的比较方法，这是由用户提供的比较函数 c o m p a r e ( ) compare() compare() 提供的。简单说就是对数组进行排序。
- 声明：

void qsort(void *base, size_t nitems, size_t size, int (*compar)(const void *, const void*))

参数：
- base ?C 指向要排序的数组的第一个元素的指针。
- nitems ?C 由 base 指向的数组中元素的个数。
- size ?C 数组中每个元素的大小，以字节为单位。
- compar ?C 用来比较两个元素的函数。如果 compar 返回值< 0，那么第一个参数p1 所指向元素会被排在第二个p2所指向元素的前面；如果 compar 返回值= 0，那么 p1 所指向元素与 p2 所指向元素的顺序不确定；如果 compar 返回值> 0，那么 p1 所指向元素会被排在 p2 所指向元素的后面。
- 返回值 ?C 无

代码

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <stdio.h>
// example of qsort using function pointer for comparison function (*compar)()
// see man qsort
char *num[] = {
	"000000001",
	"1", 
	"1000", 
	"  100 ", 
	"1     ", 
};

// compare p1 & p2 as strings
// call with the address of the array element, e.g. &(char *) = char **
int string_comp(const void *p1, const void *p2) 
{
	// be careful that address of element is passed so there is an
	// extra * needed here given that it is already (char *)
	// return strcmp((char *) p1, (char *) p2); /* a bug as needs deref */
	return strcmp(*((char **) p1), *((char **) p2));
}
// compare p1 & p2 as integers
int int_comp(const void *p1, const void *p2) 
{
	int i1, i2;
	// i1 = atoi((char *) p1); /* bug: same reason as line in string_comp() */
	i1 = atoi(*((char **) p1)); /* correct */
	// i2 = atoi((char *) p2); /* bug: same reason as line in string_comp() */
	i2 = atoi(*((char **) p2)); /* correct */
	// printf("comp(%s,%s)\n", p1, p2); /* bug: for debugging */
	// printf("comp(\"%s\", \"%s\")\n", *(char **) p1, *(char **) p2); /* correct: for debugging */
	if (i1 < i2) return -1;
	else if (i1 == i2) return 0;
	else return 1;
}
void print_array(char *a[], int n)
{
	int i;
	for (i=0; i < n; i++)
		printf("\"%s\" ", a[i]);
}
int main()
{
	printf("Original array\n"); print_array(num, 5); printf("\n");
	qsort(num, 5, sizeof(char *), int_comp);
	printf("sorted array as int\n"); print_array(num, 5); printf("\n");
	qsort(&num, 5, sizeof(char *), string_comp);
	printf("sorted array as string\n"); print_array(num, 5); printf("\n");
	return(0);
}

一般形式：strcmp(字符串1，字符串2)

说明：当s1<s2时，返回为负数注意不是-1

当s1==s2时，返回值= 0

当s1>s2时，返回正数注意不是1

即：两个字符串自左向右逐个字符相比（按ASCII值大小相比较），直到出现不同的字符或遇'\0'为止。如：

“A”<“B” “a”>“A” “computer”>“compare”

特别注意：strcmp(const char *s1,const char * s2)这里面只能比较字符串，不能比较数字等其他形式的参数。

Exercise 2：

代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>
#include <sys/mman.h>
#define L (32)
int addnum(int a)
{
	return a+255;
}
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
	int a, (*f)(int), *code_buf;
	char *p, data[]={0x0f, 0x0b};
	/* Try uncommenting out */
	/*
	f = NULL;
	a = f(10);
	printf("0: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);
	*/
	f = addnum;
	a = f(10); // LINE1
	printf("1: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);
	code_buf = (int *) mmap(0, 4096, PROT_EXEC|PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
	/* Try swapping the two mmap lines */
	// code_buf = (int *) mmap(0, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
	printf("code_buf %p\n", code_buf);
	memcpy(code_buf, addnum, L);
	f = (int (*)(int)) code_buf;
	a = f(10); // LINE2
	printf("2: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);
	p = index((char *) code_buf, 0xff);
	printf("before *p=%hhx\n", *p);
	*p = 100;
	printf("after *p=%hhx\n", *p);
	a = f(10); // LINE3
	printf("3: f(10)=%d\n\n", a);
	*((char *) code_buf) = 0xc3;
	a = f(10); // LINE4
	printf("4: f(10)=%d\n\n", a);
	memcpy(code_buf, data, 2);
	printf("before last call\n");
	a = f(10); // LINE5
	return 0;
}

mmap() 函数:
- 用途：
  - 将一个普通文件映射到内存中，通常在需要对文件进行频繁读写时使用，这样用内存读写取代I/O读写，以获得较高的性能；
  - 将特殊文件进行匿名内存映射，可以为关联进程提供共享内存空间；
  - 为无关联的进程提供共享内存空间，一般也是将一个普通文件映射到内存中。
- 头文件：#include <sys/mman.h>
- 原型：void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize);
- 参数说明：
  - start：指向欲映射的内存起始地址，通常设为 NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。
  - length：代表将文件中多大的部分映射到内存。
  - prot：映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
    - PROT_EXEC 映射区域可被执行
    - PROT_READ 映射区域可被读取
    - PROT_WRITE 映射区域可被写入
    - PROT_NONE 映射区域不能存取
  - flags：影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
    - MAP_FIXED：如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。
    - MAP_SHARED：对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。
    - MAP_PRIVATE：对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
    - MAP_ANONYMOUS：建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
    - MAP_DENYWRITE：只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
    - MAP_LOCKED：将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。

fd：要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。

offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页大小的整数倍。

返回值：若映射成功则__返回映射区的内存起始地址__，否则返回MAP_FAILED(－1)，错误原因存于errno 中。

错误代码：

EBADF 参数fd 不是有效的文件描述词

EACCES 存取权限有误。如果是M

P_PRIVATE 情况下文件必须可读，使用MAP_SHARED则要有PROT_WRITE以及该文件要能写入。

EINVAL 参数start、length 或offset有一个不合法。

EAGAIN 文件被锁住，或是有太多内存被锁住。

ENOMEM 内存不足。

memcpy() 函数：
- 用途：内存复制。
- 原型：void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
- 功能：从src的开始位置拷贝n个字节的数据到dest。如果dest存在数据，将会被覆盖。
- 返回值：dest的指针。
- 头文件：string.h
index() 函数：
- 用途：找地址。
- 原型：char * index(const char *s, int c);
- 功能：用来找出参数s 字符串中第一个出现的参数c 地址，然后将该字符出现的地址返回。字符串结束字符(NULL)也视为字符串一部分。返回值：如果找到指定的字符则返回该字符所在地址，否则返回0。
- 头文件：#include <string.h> Exercise 3