printf函数的内涵以及造成的严重内存问题

问题的引出：在某型号的核心网络交换机设备中，为调试方便，实现了一个把内存内容从终端打印的功能，也就是dump memory，屏幕的左边显示十六进制，右边以ASCII形式显示，用过UltraEdit的十六进制编辑功能朋友应该都很了解。显示ASCII码部分的实现，是这样的：
printf (string_ascii); /* string_ascii指向待显示的内存段 */
结果，这个函数调用引起了一个致命的问题，原本用于调试的功能，居然造成了整机重启。

问题解决讨论：

1,问题出在对printf函数的细节理解上。大家都知道调用printf函数要include ，但是有谁看过stdio.h里面对printf函数的原型声明？
一句话，想成为职业C程序员，就必须多看源码，特别是对一些细节的推敲。找出答案的一个重要线索，就藏在stdio.h里面的printf函数原型里。

int __cdecl printf(const char *, ...);

2，printf 的参数应该是字符串，也就是从那个参数指针指向的第一个非零数据一直打印直到遇到0x00。大概是指向的内存段一直都没有0x00这个值吧。

3，没错，第一个参数是一个字符串，但它并非一般的字符串，而是格式化字符串。提醒一下，如果这个字符串里面不含有转义字符，如%d, %x这样的符号，那么会打印出字符串本身。但是如果含有这些符号但是后面没有参数来指明这个符号呢？如果这个符号代表指针呢？

比如：printf("%d,%s");后面根本没有参数来指明%d和%s。

4，应该说，如果是有%s，那么会在这个地方插入一个字串，该字串的起始地址是printf的下一个参数。如果没有这个参数，会读取一个随机的地址，这个地址很可能是非法的，从而导致系统的崩溃。

5，函数看到fmt这个字串里面的转义字符%，就去寻找下一个参数。如果调用函数的时候并没有传递这个参数，函数会取得一个随机值对应这个转义字符。问题是，这个随机值从哪里取出来的？

6，printf函数的实现，大致是这样的：

int printf(const char *fmt, ...)
{
char printf_buf[1024];
va_list args;
int printed;

va_start(args, fmt);//调用va_start后args将指向第一个可变参数
printed = vsprintf(printf_buf, fmt, args);//调用vsprintf将fmt字符串按照args指向的第一个可变参数开始格式化输出，并将由args替换fmt中的格式化字符串保存在printf_buf缓冲中。如printf("kevin %d,%f,%s",num,fnum,string),则printf_buf中保存的是kevin 44,3.450000,abc
va_end(args);

puts(printf_buf);

return printed;
}

我们可以看到，它是调用vsprintf函数，将第二个参数以后的参数，按格式化字串输出，然后在终端显示出来。如果格式化字串中有多余的%字符，而没有传递相应的参数，会获得一个随机数。
这里有两个问题：首先，如果这个多余的%转义字符是一个“%s”，后果是怎样的呢？后果就是访问了一个没有初始化的指针“野指针”。对于8051/ARM7这样没有内存处理单元(MMU)的处理器，会显示不可预料的内容。但对于MIPS/X86这样有MMU的处理器，CPU内部的硬件线路会判断这个指针是否合法。如果是一个非法指针，会引发系统抛出一个异常(Exception)，从而导致进程崩溃(process crash)，也就是Windows下常见的“该程序执行了非法操作”。而在操作系统内核中发生了这种错误，会引发内核panic，类似Windows的蓝屏死机的概念，系统彻底崩溃。前面提到的，出现这个问题的核心交换机上，就是由于出现内核panic而死机重启的。

那么，随机数是从哪里获得的呢？
这个问题和体系结构密切相关了。对于x86，我们知道，参数是通过堆栈传递的，那么也就是从没有初始化的堆栈存储区取得的。而对于MIPS/ARM这样的RISC处理器，系统会占用几个寄存器作为传递参数用，如果不够用再通过堆栈传递。因此，在RISC处理器上，错误的参数还有可能从寄存器传递过来。8051是CISC处理器中的一个异类，C51编译器的函数参数传递，使用了R4到R7的四个寄存器，和RISC类似，这点要注意。
最后，请大家吸取一个教训，printf的第一个参数char *fmt，指针指向的内容一定要可控，千万不要用计算机自动生成的内容。