University ¡of ¡Washington ¡ Today ¡ ¢ More ¡on ¡memory ¡bugs ¡ ¢ Java ¡vs ¡C, ¡the ¡ba:le. ¡ 1 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Memory-‑Related ¡Perils ¡and ¡PiAalls ¡ ¢ Dereferencing ¡bad ¡pointers ¡ ¢ Reading ¡uniniEalized ¡memory ¡ ¢ OverwriEng ¡memory ¡ ¢ Referencing ¡nonexistent ¡variables ¡ ¢ Freeing ¡blocks ¡mulEple ¡Emes ¡ ¢ Referencing ¡freed ¡blocks ¡ ¢ Failing ¡to ¡free ¡blocks ¡ 2 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Dereferencing ¡Bad ¡Pointers ¡ ¢ The ¡classic ¡ scanf ¡bug ¡ int val; ... scanf(“%d”, val); 3 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Reading ¡UniniEalized ¡Memory ¡ ¢ Assuming ¡that ¡heap ¡data ¡is ¡iniEalized ¡to ¡zero ¡ /* return y = Ax */ int *matvec(int **A, int *x) { int *y = malloc( N * sizeof(int) ); int i, j; for (i=0; i<N; i++) for (j=0; j<N; j++) y[i] += A[i][j] * x[j]; return y; } 4 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ OverwriEng ¡Memory ¡ ¢ AllocaEng ¡the ¡(possibly) ¡wrong ¡sized ¡object ¡ int **p; p = malloc( N * sizeof(int) ); for (i=0; i<N; i++) { p[i] = malloc( M * sizeof(int) ); } 5 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ OverwriEng ¡Memory ¡ ¢ Off-‑by-‑one ¡error ¡ int **p; p = malloc( N * sizeof(int *) ); for (i=0; i<=N; i++) { p[i] = malloc( M * sizeof(int) ); } 6 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ OverwriEng ¡Memory ¡ ¢ Not ¡checking ¡the ¡max ¡string ¡size ¡ char s[8]; int i; gets(s); /* reads “123456789” from stdin */ ¢ Basis ¡for ¡classic ¡buffer ¡overflow ¡a:acks ¡ § Your ¡last ¡assignment ¡ 7 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ OverwriEng ¡Memory ¡ ¢ Misunderstanding ¡pointer ¡arithmeEc ¡ int *search(int *p, int val) { while (*p && *p != val) p += sizeof(int); return p; } 8 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Referencing ¡Nonexistent ¡Variables ¡ ¢ Forge\ng ¡that ¡local ¡variables ¡disappear ¡when ¡a ¡funcEon ¡ returns ¡ int *foo () { int val; return &val; } 9 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Freeing ¡Blocks ¡MulEple ¡Times ¡ ¢ Nasty! ¡ x = malloc( N * sizeof(int) ); <manipulate x> free(x); y = malloc( M * sizeof(int) ); <manipulate y> free(x); ¢ What ¡does ¡the ¡free ¡list ¡look ¡like? ¡ x = malloc( N * sizeof(int) ); <manipulate x> free(x); free(x); 10 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Referencing ¡Freed ¡Blocks ¡ ¢ Evil! ¡ ¡ x = malloc( N * sizeof(int) ); <manipulate x> free(x); ... y = malloc( M * sizeof(int) ); for (i=0; i<M; i++) y[i] = x[i]++; 11 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Failing ¡to ¡Free ¡Blocks ¡(Memory ¡Leaks) ¡ ¢ Slow, ¡silent, ¡long-‑term ¡killer! ¡ ¡ foo() { int *x = malloc(N*sizeof(int)); ... return; } 12 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Failing ¡to ¡Free ¡Blocks ¡(Memory ¡Leaks) ¡ ¢ Freeing ¡only ¡part ¡of ¡a ¡data ¡structure ¡ struct list { int val; struct list *next; }; foo() { struct list *head = malloc( sizeof(struct list) ); head->val = 0; head->next = NULL; <create and manipulate the rest of the list> ... free(head); return; } 13 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ OverwriEng ¡Memory ¡ ¢ Referencing ¡a ¡pointer ¡instead ¡of ¡the ¡object ¡it ¡points ¡to ¡ int *getPacket(int **packets, int *size) { int *packet; packet = packets[0]; packets[0] = packets[*size - 1]; *size--; // what is happening here? reorderPackets(packets, *size, 0); return(packet); } 14 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Dealing ¡With ¡Memory ¡Bugs? ¡ ¢ Leaks? ¡ ¢ UniEalized ¡reads? ¡ ¢ Double ¡free? ¡ 15 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Dealing ¡With ¡Memory ¡Bugs ¡ ¢ ConvenEonal ¡debugger ¡( gdb ) ¡ § Good ¡for ¡finding ¡ ¡bad ¡pointer ¡dereferences ¡ § Hard ¡to ¡detect ¡the ¡other ¡memory ¡bugs ¡ ¢ Debugging ¡ malloc ¡(UToronto ¡CSRI ¡ malloc ) ¡ § Wrapper ¡around ¡conven;onal ¡ malloc § Detects ¡memory ¡bugs ¡at ¡ malloc ¡and ¡ free boundaries ¡ § Memory ¡overwrites ¡that ¡corrupt ¡heap ¡structures ¡ § Some ¡instances ¡of ¡freeing ¡blocks ¡mul;ple ¡;mes ¡ § Memory ¡leaks ¡ § Cannot ¡detect ¡all ¡memory ¡bugs ¡ § Overwrites ¡into ¡the ¡middle ¡of ¡allocated ¡blocks ¡ § Freeing ¡block ¡twice ¡that ¡has ¡been ¡reallocated ¡in ¡the ¡interim ¡ § Referencing ¡freed ¡blocks ¡ 16 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ How ¡would ¡you ¡make ¡memory ¡bugs ¡go ¡ away? ¡(puff) ¡ ¢ Does ¡garbage ¡collecEon ¡solve ¡everything? ¡ ¢ If ¡not, ¡what ¡else ¡do ¡we ¡need? ¡ 17 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Java ¡vs ¡C ¡ ¢ ReconnecEng ¡to ¡Java ¡ § Back ¡to ¡CSE143! ¡ § But ¡now ¡you ¡know ¡a ¡lot ¡more ¡about ¡what ¡really ¡happens ¡ when ¡we ¡execute ¡programs ¡ ¡ ¢ Java ¡running ¡naEve ¡(compiled ¡to ¡C/assembly) ¡ § Object ¡representa;ons: ¡arrays, ¡strings, ¡etc. ¡ § Bounds ¡checking ¡ § Memory ¡alloca;on, ¡constructors ¡ § Garbage ¡collec;on ¡ ¢ Java ¡on ¡a ¡virtual ¡machine ¡ § Virtual ¡processor ¡ § Another ¡language: ¡byte-‑codes ¡ 18 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Meta-‑point ¡to ¡this ¡lecture ¡ ¢ None ¡of ¡this ¡data ¡representaEon ¡we ¡are ¡going ¡to ¡ ¡ talk ¡about ¡is ¡ guaranteed ¡ by ¡Java ¡ ¡ ¢ In ¡fact, ¡the ¡language ¡simply ¡provides ¡an ¡ abstrac-on ¡ ¢ We ¡can't ¡easily ¡tell ¡how ¡things ¡are ¡really ¡represented ¡ ¢ But ¡it ¡is ¡important ¡to ¡understand ¡ an ¡ implementaEon ¡of ¡the ¡ lower ¡levels ¡-‑-‑-‑ ¡ ¡it ¡may ¡be ¡useful ¡in ¡thinking ¡about ¡your ¡ program ¡ 19 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Data ¡in ¡Java ¡ ¢ Integers, ¡floats, ¡doubles, ¡pointers ¡– ¡same ¡as ¡C ¡ § Yes, ¡Java ¡has ¡pointers ¡– ¡they ¡are ¡called ¡‘references’ ¡– ¡however, ¡Java ¡ references ¡are ¡much ¡more ¡constrained ¡than ¡C’s ¡general ¡pointers ¡ ¢ Null ¡is ¡typically ¡represented ¡as ¡0 ¡ ¢ Characters ¡and ¡strings ¡ ¢ Arrays ¡ ¢ Objects ¡ 20 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Data ¡in ¡Java ¡ ¢ Characters ¡and ¡strings ¡ § Two-‑byte ¡Unicode ¡instead ¡of ¡ASCII ¡ § Represents ¡most ¡of ¡the ¡world’s ¡alphabets ¡ § String ¡not ¡bounded ¡by ¡a ¡‘/0’ ¡(null ¡character) ¡ § Bounded ¡by ¡hidden ¡length ¡field ¡at ¡beginning ¡of ¡string ¡ the ¡string ¡‘CSE351’: ¡ C: ¡ASCII ¡ 53 45 33 35 31 43 \0 16 0 1 4 7 Java: ¡Unicode ¡ 6 00 43 00 53 00 45 00 33 00 35 00 31 21 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Data ¡in ¡Java ¡ ¢ Arrays ¡ § Bounds ¡specified ¡in ¡hidden ¡fields ¡at ¡start ¡of ¡array ¡(int ¡– ¡4 ¡bytes) ¡ § array.length ¡ returns ¡value ¡of ¡this ¡field ¡ § Hmm, ¡since ¡it ¡had ¡this ¡info, ¡what ¡can ¡it ¡do? ¡ § Every ¡element ¡ini;alized ¡to ¡0 ¡ int ¡array[5]: ¡ C ¡ ?? ?? ?? ?? ?? 0 4 20 24 Java ¡ 5 00 00 00 00 00 22 ¡
University ¡of ¡Washington ¡ Data ¡in ¡Java ¡ ¢ Arrays ¡ § Bounds ¡specified ¡in ¡hidden ¡fields ¡at ¡start ¡of ¡array ¡(int ¡– ¡4 ¡bytes) ¡ § array.length ¡ returns ¡value ¡of ¡this ¡field ¡ § Every ¡access ¡triggers ¡a ¡bounds-‑check ¡ § Code ¡is ¡added ¡to ¡ensure ¡the ¡index ¡is ¡within ¡bounds ¡ § Trap ¡if ¡out-‑of-‑bounds ¡ § Every ¡element ¡ini;alized ¡to ¡0 ¡ int ¡array[5]: ¡ C ¡ ?? ?? ?? ?? ?? 0 4 20 24 Java ¡ 5 00 00 00 00 00 23 ¡
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