C++ 段错误（Segmentation Fault）

在使用指针或数组编写 C++ 代码时，很多初学的小伙伴都遇到过这样一种情况：代码编译时没有任何报错，程序一运行却突然中断退出。此时终端可能会直接报出一句 Segmentation fault，也就是常说的 “段错误”。

第一次碰到这种不提示行号的崩溃时，大家很容易不知道应该从哪里查起。其实段错误并没有那么神秘。只要我们先弄清楚哪几类操作会触碰非法内存，再顺着函数调用关系追查，很快就能找出问题根源。

什么是段错误？

段错误的英文全称是 Segmentation Fault，有时也简称为 Segfault。简单来说，段错误就是程序越界去读写了不属于自己的非法内存区域，结果被操作系统强制终止了。

在不同的操作系统中，段错误的报错表现不太一样。在 Linux、macOS 或在线编译器中，终端通常会直接打印 Segmentation fault (core dumped)。而在 Windows 的 PowerShell 或 CMD 终端下运行 .exe 程序时，屏幕一般不会打印报错文字，程序会直接闪退回到命令行。

你可以把计算机内存想象成一栋公寓大楼。程序启动时，操作系统会分配给它专属的几个房间，也就是合法的内存空间。只要代码在自己的房间里读写数据，程序就能正常运行。

一旦指针闯进 0 号地址这类系统禁区或其他程序的房间，操作系统就会立即把当前程序关停，如下图所示。

引发段错误的 3 类常见原因

在实际开发中，引发段错误的代码大多与指针、下标和对象的存活时间有关，最常见的有以下 3 类原因：

• 解引用空指针或野指针：指针没有指向任何有效对象，却强行使用 * 或 -> 去读写数据。
• 数组或容器下标越界：访问元素时下标超出了有效范围，冲进了受保护的非法内存区。
• 访问已释放或已销毁的内存：对象早已被 delete 释放或离开作用域销毁了，却继续拿着旧地址去读写。

1. 解引用空指针或野指针

在 C++ 中，当指针的值为 nullptr（即空指针）时，表示它当前不指向任何有效对象。如果此时对它使用解引用运算符 * 去读写数据，就会直接引发段错误。

示例 1：解引用空指针

#include <iostream>

int main() {
    int* price = nullptr;
    std::cout << *price << '\n';    // 解引用空指针触发段错误
    std::cout << "程序正常结束\n";
    return 0;
}

运行结果如下。

（报错）Segmentation fault

分析：

在上面代码中，int* price = nullptr; 在语法上完全合法，因此编译能够顺利通过。但程序运行到 *price 时尝试读取空地址里的数据，操作系统会立即终止程序，排在后面的 "程序正常结束" 根本没有机会输出。如果在 Windows 终端下运行，程序则会直接闪退且没有任何输出。

为了避免这类崩溃，当函数的指针参数有可能传入 nullptr 时，我们在使用 * 解引用之前应该先加上判空检查。

示例 2：解引用前先判空

#include <iostream>

void showPrice(const int* price) {
    if (price == nullptr) {
        std::cout << "指针为空，取消读取\n";
        return;
    }
    std::cout << "商品价格：" << *price << '\n';
}

int main() {
    int value = 99;
    showPrice(&value);
    showPrice(nullptr);
    return 0;
}

运行结果如下。

商品价格：99
指针为空，取消读取

分析：

在这个例子中，showPrice() 在解引用指针前先通过 if (price == nullptr) 检查指针是否为空。第 2 次调用传入 nullptr 时，函数打印提示后直接 return 返回，避开了非法的 *price 操作。

除了空指针之外，只声明却没有初始化的野指针里面保存的是随机垃圾地址，直接解引用同样很容易引发段错误。因此定义指针时如果暂时没有明确指向的对象，我们应该先将它初始化为 nullptr。

// 错误方式
int* p;
*p = 100;

// 正确方式
int* p = nullptr;

2. 数组或容器下标越界

无论是普通数组，还是标准库的 vector 容器，在使用方括号 [] 访问元素时默认都不做下标边界检查。如果因为循环条件写错或下标计算失误，访问了一个跨度很大的越界下标，就会冲出合法内存区并触发段错误。

示例 3：大跨度下标越界

#include <iostream>

int main() {
    int nums[4] = {10, 20, 30, 40};
    std::cout << nums[100000] << '\n';    // 访问大跨度越界下标
    return 0;
}

运行结果如下。

（报错）Segmentation fault

分析：

nums 数组只有 4 个元素，有效下标是 0 到 3。代码直接读取 nums[100000]，计算出的内存地址远远超出了当前栈空间的范围。一旦触碰到操作系统的受保护内存区，程序就会直接崩溃。

如果下标来自外部输入或动态计算，可以把普通数组换成 std::vector，并改用带边界检查的 at() 成员函数访问元素。这样一旦越界就会抛出可捕获的 std::out_of_range 异常，而不是直接读写非法内存。

3. 访问已释放或已销毁的内存

第 3 类常见原因是使用悬空指针。也就是说，指针原本指向的对象已经销毁、内存已经被回收了，但指针变量里还留着以前的旧地址。此时再去读写这块内存，就相当于 “房间已经退租收回了，还拿着旧钥匙开门进去”。

最典型的两种情况是：函数返回了内部局部变量的地址，或者 delete 释放动态内存后继续解引用原指针。下面我们先来看返回局部变量地址的情况。

示例 4：返回局部变量的地址

#include <iostream>

int* createNumber() {
    int num = 100;
    return &num;                // 返回局部变量地址
}

int main() {
    int* p = createNumber();
    std::cout << *p << '\n';    // 访问已销毁的栈内存
    return 0;
}

运行结果如下。

（报错）Segmentation fault

分析：

createNumber() 内部的 num 是一个局部变量，一旦函数执行完毕返回，它占用的栈内存就会被自动回收。main() 拿到的指针 p 指向的是已经失效的内存，在主流编译器下执行 *p 就会触发段错误崩溃，或者读出不可控的垃圾值。

同样地，对动态分配的内存执行 delete p; 之后，也不能再次访问 *p。为了防止后续误用，手动 delete 之后应该立即把指针置为 nullptr。

// 错误方式
int* p = new int(90);
delete p;
std::cout << *p << '\n';

// 正确方式
int* p = new int(90);
delete p;
p = nullptr;

在实际开发中，为了从源头上减少手动 delete 带来的悬空指针风险，我们更推荐使用 unique_ptr 等智能指针或标准库容器来管理动态内存。此外，编写递归函数时如果漏写了终止条件，无限递归把栈空间耗尽后同样会触发段错误。

段错误与未定义行为的区别

可能有些小伙伴会觉得奇怪：“为什么写 nums[100000] 会直接报段错误，而只越界 1 个位置的 nums[4] 有时却没崩溃，只是打印出一个奇怪的数字？”

这就涉及到 C++ 中的 “未定义行为（Undefined Behavior，简称 UB）”，指的就是代码执行了 C++ 标准明确禁止、结果不再可控的违规操作。除了指针与下标越界外，读取未初始化的局部变量、有返回值的函数漏写 return 语句，也都属于典型的未定义行为。

当代码触发未定义行为时，如果错指的地址刚好碰上了操作系统的受保护内存区，就会直接引发段错误崩溃。如果像 nums[4] 这样轻微越界的地址刚好还在当前程序合法的栈空间内，操作系统不会拦截，程序就会把旁边内存里的随机垃圾值读出来。这几个常见错误概念的区别如下表所示。

如何排查段错误？

当程序因段错误突然退出时，终端默认不会直接显示是在第几行代码崩溃的。这时我们可以配合调试器来定位问题，下一节 “VSCode 调试 C++” 会展开介绍具体操作。日常排查段错误一般按以下 4 步依次进行：

• 定位崩溃行：使用调试器运行程序，查看程序暂停报错的那一行是不是正在通过 *p、p-> 解引用指针，或通过 arr[i] 访问下标。
• 检查当前变量值：观察崩溃行里的指针是不是 nullptr 或异常地址，数组下标 i 是不是负数或超出了有效长度。
• 顺着调用栈向上追查：顺着函数调用链往上一层层找，看看这个空指针、越界下标或失效地址最早是在哪个函数里产生的。
• 核对近期修改的代码：重点检查刚刚修改过的指针赋值、delete 释放语句以及循环边界条件。

在上面这 4 步中，小伙伴们最需要留意的是第 3 步：程序崩溃的那一行很多时候只是 “报错现场”，而不一定是 “真正根因”。下面我们来看一个例子。

示例 5：跨函数追查崩溃根因

#include <iostream>

// 报错现场：解引用空指针崩溃
void printPrice(const int* price) {
    std::cout << "商品价格：" << *price << '\n';
}

// 真正根因：产生并传入了空指针
void processOrder() {
    int* price = nullptr;
    printPrice(price);
}

int main() {
    processOrder();
    return 0;
}

运行结果如下。

（报错）Segmentation fault

分析：

当这段程序运行崩溃时，真正触发段错误的位置是 printPrice() 函数里的 *price。如果我们只盯着 printPrice() 内部看，根本看不出指针为什么是空的。

只要在调试器中启动运行，程序就会自动停在 *price 报错现场。接着查看调试面板里的调用堆栈并追查到上一层的 processOrder()，就能清楚看到原来是它把一个 nullptr 空指针传了进来。