代码收藏家技术教程 2024-07-26

使用C/Python/Rust还原带致命Bug的B-树代码

程序猿们都知道，B树（B-tree）是一种平衡的多路查找树，主要用于存储和检索大量数据，常用于数据库和文件系统中。

B树的特性包括：

每个节点可以包含多个关键字（键值）和对应的孩子指针（子树指针）。
所有叶子节点都在同一层，即树的高度是平衡的。
除了根节点外，每个内部节点（非叶子节点）至少有⌈m/2⌉个孩子（m 为阶数，表示一个节点最多可以拥有的孩子数量），最多有 m 个孩子。
每个节点中的关键字从小到大排列，每个关键字对应一棵子树，其所有值都在该关键字对应的值和下一个关键字对应的值之间。

B树的这些特性使得它在数据存储和查找时具有高效性。在插入和删除操作时，通过必要的节点分裂和合并操作来保持 B 树的平衡性质，以保证查找、插入和删除操作的时间复杂度在对数级别。

例如，在磁盘文件系统中，B 树可以减少磁盘 I/O 操作次数，因为 B 树的节点可以存储多个关键字和对应的指针，每次磁盘读取可以获取多个关键字和相应的子树信息，相比普通二叉查找树可以大大提高效率。

但编写B树时，我们可能会忽略一些错误，而这些错误导致严重问题，不经过代码审核工具检测评估，很可能会写入软件中。

下面我们分别用C++、Python、Rust给出示例。

为了简化，我们将为每种语言提供一个简单的B树插入操作的示例，并在其中故意引入一些潜在的安全错误。请注意，这些错误是为了演示目的而故意引入的，并不推荐在实际代码中使用。

C++示例

#include <iostream>  
#include <vector>  
  
class BTreeNode {  
public:  
    std::vector<int> keys;  
    std::vector<BTreeNode*> children;  
    bool isLeaf;  
  
    BTreeNode(bool isLeaf = true) : isLeaf(isLeaf) {}  
  
    void insert(int key) {  
        if (isLeaf) {  
            keys.push_back(key); // 潜在安全错误：未进行排序和分裂处理  
        } else {  
            // 省略非叶子节点的插入逻辑  
        }  
    }  
};  
  
int main() {  
    BTreeNode* root = new BTreeNode();  
    root->insert(5);  
    root->insert(3); // 潜在安全错误：未处理键的排序  
    std::cout << "Inserted keys: ";  
    for (int key : root->keys) {  
        std::cout << key << " ";  
    }  
    std::cout << std::endl;  
    delete root; // 潜在安全错误：没有递归删除子节点，可能会导致内存泄漏  
    return 0;  
}

Python示例

class BTreeNode:  
    def __init__(self, is_leaf=True):  
        self.keys = []  
        self.children = []  
        self.is_leaf = is_leaf  
  
    def insert(self, key):  
        if self.is_leaf:  
            self.keys.append(key)  # 潜在安全错误：未进行排序和分裂处理  
        else:  
            # 省略非叶子节点的插入逻辑  
            pass  
  
root = BTreeNode()  
root.insert(5)  
root.insert(3)  # 潜在安全错误：未处理键的排序  
print("Inserted keys:", root.keys)

Rust示例

pub struct BTreeNode<T> {  
    pub keys: Vec<T>,  
    pub children: Vec<*mut BTreeNode<T>>,  
    pub is_leaf: bool,  
}  
  
impl<T> BTreeNode<T> {  
    pub fn new(is_leaf: bool) -> Self {  
        Self {  
            keys: Vec::new(),  
            children: Vec::new(),  
            is_leaf,  
        }  
    }  
  
    pub fn insert(&mut self, key: T) {  
        if self.is_leaf {  
            self.keys.push(key); // 潜在安全错误：未进行排序和分裂处理  
        } else {  
            // 省略非叶子节点的插入逻辑  
        }  
    }  
}  
  
fn main() {  
    let mut root = BTreeNode::new(true);  
    root.insert(5);  
    root.insert(3); // 潜在安全错误：未处理键的排序  
    println!("Inserted keys: {:?}", root.keys);  
}

在上述代码中，我故意省略了B树插入操作中的一些关键步骤，如键的排序和节点的分裂，以展示潜在的安全错误。在实际应用中，这些步骤是必不可少的，以确保B树的正确性和性能。

此外，在C++示例中，我还故意省略了内存管理的部分逻辑，这可能导致内存泄漏。请注意，这些示例仅用于教育目的，并不适用于生产环境。

作者：开源网安