32. C 语言 安全函数( _s 尾缀)

前言

在 C 语言的编程中，缓冲区溢出是常见的安全问题之一。它发生在程序尝试将数据写入一个不足够大的缓冲区时，导致数据覆盖了相邻内存区域。这种错误不仅会导致程序崩溃，还可能导致潜在的安全漏洞，使攻击者能够通过精心设计的输入数据控制程序流，甚至执行恶意代码。

为了避免这类问题，C11 标准引入了一些 “安全函数”（通常称为 Annex K 函数），这些函数是传统 C 函数的增强版本，增加了缓冲区大小检查和错误处理机制，从而提升了程序的安全性。

本文将带您深入了解 C 语言中的安全函数，帮助您编写更加健壮和安全的代码。

什么是安全函数？

在 C 语言中，安全函数是指那些在执行字符串和内存操作时，显式检查目标缓冲区大小并报告错误的函数。它们的设计初衷是防止缓冲区溢出、访问越界等问题。安全函数通常返回一个 errno_t 类型的错误码，以便调用者能够检测是否成功执行。

安全函数的特点

1. 缓冲区大小检查：安全函数需要明确传递目标缓冲区的大小，确保不会发生溢出。
2. 返回值检查：大多数安全函数返回一个错误代码，可以通过检查返回值来判断是否成功执行。
3. 错误处理：当缓冲区大小不足或者其他错误发生时，安全函数会尝试清空或初始化输出缓冲区，避免未定义的行为。

主要的安全函数

以下是 C 语言中一些常见的安全函数及其传统函数对比：

1. 字符串操作安全函数

• strcpy_s：安全版本的 strcpy，复制字符串并检查目标缓冲区的大小。

  errno_t strcpy_s(char *dest, rsize_t destsz, const char *src);
  

• strcat_s：安全版本的 strcat，将源字符串追加到目标字符串末尾，并检查缓冲区大小。

  errno_t strcat_s(char *dest, rsize_t destsz, const char *src);
  

• strncpy_s：安全版本的 strncpy，复制最多 n 个字符，并检查缓冲区大小。

  errno_t strncpy_s(char *dest, rsize_t destsz, const char *src, rsize_t count);
  

• strncat_s：安全版本的 strncat，追加最多 n 个字符到目标字符串末尾，并检查缓冲区大小。

  errno_t strncat_s(char *dest, rsize_t destsz, const char *src, rsize_t count);
  

• strtok_s：安全版本的 strtok，引入上下文参数，解决线程安全问题。

  char *strtok_s(char *str, const char *delim, char **context);
  

2. 格式化输出安全函数

• sprintf_s：安全版本的 sprintf，格式化输出到字符串时检查缓冲区大小。

  int sprintf_s(char *buffer, rsize_t sizeOfBuffer, const char *format, ...);
  

• snprintf_s：安全版本的 snprintf，格式化输出时限制字符数并检查缓冲区大小。

  int snprintf_s(char *buffer, rsize_t sizeOfBuffer, const char *format, ...);
  

• vsprintf_s：安全版本的 vsprintf，接收 va_list 参数列表，并检查缓冲区大小。

  int vsprintf_s(char *buffer, rsize_t sizeOfBuffer, const char *format, va_list argptr);
  

3. 内存操作安全函数

• memcpy_s：安全版本的 memcpy，复制内存时检查目标缓冲区大小。

  errno_t memcpy_s(void *dest, rsize_t destsz, const void *src, rsize_t count);
  

• memmove_s：安全版本的 memmove，允许内存区域重叠，并检查目标缓冲区大小。

  errno_t memmove_s(void *dest, rsize_t destsz, const void *src, rsize_t count);
  

• memset_s：安全版本的 memset，填充内存并检查目标缓冲区大小。

  errno_t memset_s(void *dest, rsize_t destsz, int ch, rsize_t count);
  

4. 其他常用安全函数

• _itoa_s 和 _ultoa_s：安全版本的整数转换函数。

  errno_t _itoa_s(int value, char *buffer, size_t sizeOfBuffer, int radix);
  errno_t _ultoa_s(unsigned long value, char *buffer, size_t sizeOfBuffer, int radix);
  

• _strlwr_s 和 _strupr_s：将字符串转换为小写或大写的安全版本。

  errno_t _strlwr_s(char *str, size_t numberOfElements);
  errno_t _strupr_s(char *str, size_t numberOfElements);
  

安全函数实例

下面通过一些简单的示例，展示如何使用 C 的安全函数来提高代码的健壮性，避免缓冲区溢出问题。

示例 1：strcpy_s 和 strcat_s

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char dest[20]; // 目标缓冲区大小为 20
    const char *src = "Hello, World!";

    // 使用 strcpy_s 将 src 复制到 dest
    if (strcpy_s(dest, sizeof(dest), src) != 0) {
        printf("strcpy_s failed!\n");
        return 1; // 返回错误代码
    } else {
        printf("After strcpy_s: %s\n", dest);
    }

    // 使用 strcat_s 将 " C Language" 追加到 dest
    const char *appendStr = " C Language";
    if (strcat_s(dest, sizeof(dest), appendStr) != 0) {
        printf("strcat_s failed!\n");
        return 1; // 返回错误代码
    } else {
        printf("After strcat_s: %s\n", dest);
    }

    return 0;
}

输出：

After strcpy_s: Hello, World!
strcat_s failed!

在这个示例中，strcpy_s 成功将字符串复制到目标缓冲区，但由于 dest 缓冲区的大小不足以容纳追加的内容，strcat_s 返回错误并防止溢出。

示例 2：memcpy_s

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char src[] = "Sensitive Data";
    char dest[15]; // 目标缓冲区大小为 15

    // 使用 memcpy_s 将数据复制到 dest
    if (memcpy_s(dest, sizeof(dest), src, strlen(src) + 1) != 0) {
        printf("memcpy_s failed!\n");
        return 1; // 返回错误代码
    } else {
        printf("After memcpy_s: %s\n", dest);
    }

    return 0;
}

输出：

After memcpy_s: Sensitive Data

memcpy_s 确保 dest 缓冲区足够大，以容纳源字符串的所有数据。如果缓冲区不够，函数会返回错误并防止执行不安全的内存复制。

示例 3：strtok_s

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char str[] = "apple,orange,banana";
    char *token;
    char *context = NULL;

    // 使用 strtok_s 分割字符串
    token = strtok_s(str, ",", &context);
    while (token != NULL) {
        printf("Token: %s\n", token);
        token = strtok_s(NULL, ",", &context);
    }

    return 0;
}

输出：

Token: apple
Token: orange
Token: banana

在这个例子中，strtok_s 使用上下文参数来避免多线程环境下的安全问题。每次调用都不会影响其他线程中的字符串分割。

总结

C 语言中的安全函数是为了提高代码的安全性而设计的，尤其是在防止缓冲区溢出、内存越界等常见错误方面提供了有效的防护。通过使用这些函数，您可以确保程序在处理字符串和内