ヒープは壊れていますと表示される

Question

下記プログラムにてヒープは壊れていますとエラーが出ます。
（修正：現在は「読み取り中にアクセス違反が発生」と表示されます）
配列xをS_fftのakに渡すときにサイズを超えている（？）のが原因だと思うのですが、
対処法が分かりません。ヒントをください。
エラー箇所はmain関数内の三番目のfor文の中です。
#エラー内容
ハンドルされない例外が 0x77BF0F01 (ntdll.dll) で発生しました(WAVFFT02.exe 内): 0xC0000005: 場所 0x000010A5 の読み取り中にアクセス違反が発生しました。

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#pragma warning(disable:4996)

typedef struct

{

    int fs; //サンプリング周波数

    int bits; //量子化bit数

    int L; //データ長

} WAV_PRM;

#define   PI  4.0*atan(1.0)  // 円周率

void S_fft(double* x, double* y, int, int);
#define N 4096  // N=データ総数(2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024 のどれか)

double* audio_read(WAV_PRM* prm, char* filename);

double* audiodatasize;

int main(void) {

    double* x, * y;
    x = (double*)malloc(sizeof(double) * N);
    y = (double*)malloc(sizeof(double) * N);

    FILE* fp = fopen("fft.txt", "w");              // ファイル入出力

    WAV_PRM prm_in;
    double* data;
    //FILE* audio = fopen("sinwave.wav", "rb");
    FILE* txt = fopen("mansample.txt", "w");
    char fn[] = "mansample.wav";

    int i, Fr = 4096;
    const double dt = 0.00005;
    double sc;


    double fq;
    int pw = 0;
    printf("STG 01\n");
    sc = 2.0 * PI * dt;
    for (i = 0; i < N; i++) {
        if (x != NULL && y != NULL) {
            // x = audio_read(&prm_in, fn);
            y[i] = 0.0;
        }
    }
    x = audio_read(&prm_in, fn);
    printf("STG 02\n");
    //  Fourier変換        

    printf("Size of Data : %d\n", sizeof *x);

    S_fft(x, y, N, -1);

    printf("STG 03\n");

    //for (i = 0; i < Fr; i++) printf(" i=%d %f %f \n", i, x[i], y[i]);

    //    計算結果をファイルに格納

    for (i = 0; i < N / 2; i++) {
        if (x != NULL && y != NULL) {
            pw = sqrt(x[i] * x[i] + y[i] * y[i]) * 100; // パワースペクトル
        }
        fq = i / (dt * Fr) * 2.2;   //  周波数
        //printf("%f = %d / (%f * %d)\n", fq, i, dt, N);
        fprintf(txt, "%fHz  %d\n", fq, pw); // エラー箇所
    }
    printf("STG 04\n");
    //fclose(fp);
    //fclose(audio);
    fclose(txt);
    free(x);
    free(y);
    return 0;
}

/*********  Fourier変換および逆Fourier変換を行う副関数  ***************/
/*   入力:  x[n]: 被解析波形（振幅）  n; 離散データの数               */
/*          ff:   Fourier変換の場合は -1, 逆Fourier変換の場合は 1     */
/*   出力： ak[n]:cos関数の係数、 bk[n]:sin関数の係数                 */
/**********************************************************************/
void S_fft(double ak[], double bk[], int n, int ff) {
    int i, j, k, k1, num, nhalf, phi, phi0;
    static int rot[N];
    double s, sc, c, a0, b0, tmp;

    for (i = 0; i < n; i++) rot[i] = 0;

    //ak = (double*)malloc(sizeof(double) * N);
    //bk = (double*)malloc(sizeof(double) * N);

    nhalf = n / 2; num = n / 2; sc = 2.0 * PI / n;
    while (num >= 1) {
        for (j = 0; j < n; j += 2 * num) {
            phi = rot[j] / 2;    phi0 = phi + nhalf;
            c = cos(sc * phi);   s = sin(sc * phi * ff);
            for (k = j; k < j + num; k++) {
                k1 = k + num;
                if (ak != NULL && bk != NULL) {
                    a0 = ak[k1] * c - bk[k1] * s;
                    b0 = ak[k1] * s + bk[k1] * c;
                    ak[k1] = ak[k] - a0;      bk[k1] = bk[k] - b0;
                    ak[k] = ak[k] + a0;       bk[k] = bk[k] + b0;
                }
                rot[k] = phi;           rot[k1] = phi0;
            }
        }
        num = num / 2;
    }
    if (ff < 0 && ak != NULL && bk != NULL) {
        for (i = 0; i < n; i++) {
            ak[i] /= n;  bk[i] /= n;
        }
    }

    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        if ((j = rot[i]) > i && ak != NULL && bk != NULL) {
            tmp = ak[i]; ak[i] = ak[j]; ak[j] = tmp;
            tmp = bk[i]; bk[i] = bk[j]; bk[j] = tmp;
        }
    }
}



double* audio_read(WAV_PRM* prm, char* filename)

{

    //変数宣言

    FILE* fp;

    int n;

    double* data;

    char header_ID[4];

    long header_size;

    char header_type[4];

    char fmt_ID[4];

    long fmt_size;

    short fmt_format;

    short fmt_channel;

    long fmt_samples_per_sec;

    long fmt_bytes_per_sec;

    short fmt_block_size;

    short fmt_bits_per_sample;

    char data_ID[4];

    long data_size;

    short data_data;



    //wavファイルオープン

    fp = fopen(filename, "rb");



    //wavデータ読み込み

    fread(header_ID, 1, 4, fp);

    fread(&header_size, 4, 1, fp);

    fread(header_type, 1, 4, fp);

    fread(fmt_ID, 1, 4, fp);

    fread(&fmt_size, 4, 1, fp);

    fread(&fmt_format, 2, 1, fp);

    fread(&fmt_channel, 2, 1, fp);

    fread(&fmt_samples_per_sec, 4, 1, fp);

    fread(&fmt_bytes_per_sec, 4, 1, fp);

    fread(&fmt_block_size, 2, 1, fp);

    fread(&fmt_bits_per_sample, 2, 1, fp);

    fread(data_ID, 1, 4, fp);

    //fread(&data_size, 4, 1, fp);
    fread(&data_size, sizeof(unsigned char), 4, fp);



    //パラメータ代入

    prm->fs = fmt_samples_per_sec;

    prm->bits = fmt_bits_per_sample;

    prm->L = data_size / 2;



    //音声データ代入

    data = (double*)calloc(prm->L, sizeof(double));
    audiodatasize = (double*)malloc(sizeof(double) * prm->L);

    for (n = 0; n < prm->L; n++) {

        fread(&data_data, 2, 1, fp);

        if (data != NULL) {
            data[n] = (double)data_data / 32768.0;
        }

    }



    fclose(fp);

    return data;

}

Answer 1

どこかでアクセス違反を起こして、ヒープメモリ領域を破壊しています。
デバッグ環境を整え、どこでアクセス違反を起こしてるかを探してみてください

---

C言語のコードを書くなら、デバッグできる環境を整えましょう。
Eclipseや、WindowsならVisualStudioなど。
コードの任意の場所で実行を止め、変数のナカミを見ることができます。そこから１行づつ実行して、コードの流れを見れるようになります
そうすれば、アテズッポでコードを書かなくて済むようになります。

Comments

[Anfaenger]

前回教えて頂いた通りVisual StudioでF5キーでデバッグしながら進めているのですが……
デバッグの仕方がまずかったでしょうか。もう少し調べてみます。
ありがとうございます。

[Anfaenger]

ブレークポイントを設定して探してみてもやはりどこでヒープメモリ領域を破壊しているのか見当がつきません。もう少しだけヒントをください、お願いします。

[y_waiwai]

各ポインタの値とその範囲を見てみてください。
アドレス違い上でないか、確保したサイズを超えてアクセスしてないかなど、おかしいところを探すのは難しいかも知れません。
C言語では、実行時エラーのチェックは行わない、ので、エラーのでてるところがおかしいとは限らない、ってとこに注意してください。

[y_waiwai]

ざっとみただけですが、
> x = audio_read(&prm_in, fn);

prm_inは初期化されてませんね

[Anfaenger]

prm_inの初期化は必要でしょうか…？
とあるサイトを参考に（というか関数をお借りして）作ったコードなのですが、
そのサイトでは特に初期化等はしていなかったようなのでそのまま使用しています。

[y_waiwai]

そこらへん、ステップ実行でどうなるか見てみれば

まあ、ワケワカラン赤の他人としてはこれ以上はやめておきますｗ

Answer 2

mallocやcallocが必要なメモリを指定して呼び出すのに対して、freeは解放するメモリの大きさを指定していないことを不思議に思ったことはありませんか。

freeが解放するメモリの大きさを指定しなくてよいのは、mallocが返すメモリへのポインタの手前の管理領域に割り当てたメモリの大きさを持っているからです。

多くの場合、メモリ破壊は領域外アクセス(SIGSEGV)になることが多いのですが、それ以外のエラーになる場合もあります。
それは、続けてmalloc等で取った領域、xとyがあり、xを配列などとして使って取ったメモリを超えて書き込んで、yの管理領域を上書きしてしまいうエラーです。このあと、yをfreeしようとすると、free関数がチェックをして管理領域が壊れていることを知らせます。
あるいは、x += 1 とか y++ をやってmallocしたときの先頭アドレスでない状態にしてからfreeを行った場合も同じエラーが出ます。
今回起こっているのはそういう現象です。
xの指す領域でサイズを超えて書き込んでいるか、xやyを更新していないかをを調べてください。

Answer 3

malloc,callocで確保したメモリ以上に書き込んでいるのでは。確保したメモリのサイズと、メモリにループで書き込んでる所をデバッグして突き合わせていくしかないですね。

x = audio_read(&prm_in, fn);

ここで戻ってきたxのメモリ長は不明ですが、

    for (i = 0; i < N; i++) {
        if (x != NULL && y != NULL) {
            pw = sqrt(x[i] * x[i] + y[i] * y[i]) * 100; // パワースペクトル
        }
        fq = i / (dt * Fr) * 2.2;   //  周波数
        //printf("%f = %d / (%f * %d)\n", fq, i, dt, N);
        fprintf(txt, "%fHz  %d\n", fq, pw);    /* エラー箇所 */
    }

N固定でループ回してると、xのメモリ長<(N*sizeof(double)) の場合にバッファオーバーランすると思います。

VisualStudioなら、デバッグ中にメニューのデバッグ⇒ウィンドウ⇒メモリで、ポインタのアドレスを打ち込んで直接メモリの中を覗けます。電卓で16進数表示でアドレス計算しながら、どこまで書き込まれたか実際に確認してみるとよいでしょう。

Answer 4

メモリを動的確保したことが失敗の原因だと思う

違います。
動的確保が直接の原因ではありません。動的であれ静的であれ、確保した領域を超えて書き込みを行っているのでしょう。ちゃんとわからないでメモリをめちゃくちゃにいじくり回していることこそが「原因」といえるでしょう。C言語は、いろいろなことを「プログラマの責任」のひとことで済ませてしまう怖い言語です。「初心者」をいいわけにちゃんと理解しないでプログラムを作るなら、その結果はすべて自分に跳ね返ってきますので覚悟してください。

さて。
main関数の
x = (double*)malloc(sizeof(double) * N);
ここで確保したメモリ領域は、使われないまま
x = audio_read(&prm_in, fn);
としてxが上書きされてしまうので、二度とアクセスできなくなります。いわゆる「メモリリーク」と呼ばれる不良です。(ヒープ破壊にはつながりませんが)

このとき、audio_read関数が返すのは
fread(&data_size, 4, 1, fp);
prm->L = data_size / 2;
data = (double*)calloc(prm->L, sizeof(double));
として確保した領域です。このあとにこの領域は
S_fft(x, y, N, -1);
としてS_fftに渡されます。S_fft(double ak[], double bk[], int n, int ff)の中では

        for (i = 0; i < n; i++) {
            ak[i] /= n;  bk[i] /= n;
        }

などとしているところがあります。つまり、data_size<2*N以上でなければ、確保したエリアをはみ出してアクセスを行う(メモリの破壊を行う)ということになります(他に危ないところがあるかどうかのチェックはしていません)。ここが一番怪しいところです。しかし、入力ファイルの詳細が不明なため、ここでエラーが埋め込まれたのかどうかはしかとは確認できません。

また、audio_read関数中での
audiodatasize = (double*)malloc(sizeof(double) * prm->L);
は全く使われていないようですが、何か意図があるのですか? (これも直接のエラーにはなりませんが)

Comments

[Anfaenger]

ありがとうございます、理解しました！多分そこだと思います！
audiodatasizeは試行錯誤の残骸です。プログラム中のゴミです。お見苦しいコードですみません……。
試しにブレークポイントをその場所に設置してみたら、ak[i]の中身が{-nan}と表示されてしまいます。
これはどういう意味でしょうか？検索しても同じような内容が見当たらなくて……

[Anfaenger]

ちなみになんですが、STG 03まで表示される（S_fftの実行が完了する）までプログラムが動くときと、STG 02までしか動かないときとがランダムに起こります。これも同じ原因でしょうか？

[thkana]

そこまでプログラムを読んでいませんが、多分違う原因でしょう。

Cでは、動的に確保されるメモリ(ローカル変数とかmallocで確保した領域)は勝手には初期化されないので、生成直後は内容は不定(プログラムを実行してみて初めて値が決まること。特定の値が期待できないこと)となります。なにか値を設定する前にその値を使用して計算していたりして、その値が破綻を招いているのでは。

[Anfaenger]

言われた通りakのメモリを確保しようとしてS_fft関数内にak = (double*)malloc(sizeof(double) * N)でメモリ領域を確保してみたら正常に動作はするのですが、出力結果が出鱈目になってしまいます。
ブレークポイントを設置してxの中身を覗いてみても原因が分かりません。
もう少しだけヒントをお願いします。

[thkana]

プログラムは、首尾一貫していなければいけません。局所的にちょこちょこといじくり回してもダメなときはダメです。

まず、音声データを入力する領域とデータを出力する領域を兼用するのをやめて、それぞれに独立に必要なサイズで領域を確保するようにしてください。