为什么 C# 访问 null 字段会抛异常?

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最近在看 硬件异常 相关知识,发现一个有意思的空引用异常问题,拿出来和大家分享一下,为了方便讲述,先上一段有问题的代码。


一:背景

1. 一个有趣的话题

最近在看 硬件异常 相关知识,发现一个有意思的空引用异常问题,拿出来和大家分享一下,为了方便讲述,先上一段有问题的代码。

 namespace ConsoleApp2 {     internal class Program     {         static Person person = null;          static void Main(string[] args)         {             var age = person.age;              Console.WriteLine(age);         }     }      public class Person     {         public int age;     } }  

由于 person 是一个 null 对象,很显然这段代码会抛异常,那为什么会抛异常呢? 要想找原因,需要从最底层的汇编研究起。

二:异常原理分析

1. 从汇编上寻找答案

可以使用 Visual Studio 2022 的反汇编窗口,观察 var age = person.age; 处到底生成了什么。

 ----------------  var age = person.age;   ----------------  081D6154  mov         ecx,dword ptr ds:[4C41F4Ch]   081D615A  mov         ecx,dword ptr [ecx+4]   081D615D  mov         dword ptr [ebp-3Ch],ecx    

这三句汇编还是很好理解的,4C41F4Ch 存放的是 person 对象, ecx+4 是取 person.age,最后一句就是将 age 放在 ebp-3Ch 栈位置上,接下来我们来看下 null 时的 ecx 到底是多少,截图如下:

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常?

从图中可以看到,此时的 ecx=0000000,如果大家了解 windows 的虚拟内存布局,应该知道在虚拟内存的 0~0x0000ffff 范围内是属于 null 禁入区,凡是落在这个区一概属访问违例,画个图就像下面这样。

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常?

到这里原理就搞清楚了,因为 [ecx+4] = [4] 是落在这个 null 区所致, 但是。。。。 大家有没有发现一个问题,对,就是这里的 [ecx+4],因为这里有一个 +4 偏移来取 age 字段,那我能不能在 person 中多定义一些字段,然后取最后一个字段从而从 null 区 冲出去。。。哈哈。

2. 真的可以冲出 null 区吗

有了这个想法之后,我决定在 Person 类中定义 10w 个 age 字段,参考代码如下:

 namespace ConsoleApp2 {     internal class Program     {         static Person person = null;          static void Main(string[] args)         {             var str = @"public class Person                         {                             {0}                         }";              var lines = Enumerable.Range(0, 100000).Select(m => $"public int age{m};");              var fields = string.Join("n", lines);              var txt = str.Replace("{0}", fields);              File.WriteAllText("Person.cs", txt);              Console.WriteLine("person.cs 生成完毕");         }     } }  

代码执行后,Person.cs 就会如期生成,接下来读取 person.age99999 看看有没有奇迹发生,参考代码如下:

     internal class Program     {         static Person person = null;          static void Main(string[] args)         {             var age = person.age99999;              Console.WriteLine(age);         }     }  

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常?

我去,万万没想到,把 ClassLoader 给弄崩了。。。。 得,那只能改 20000 个 age 试试看吧,参考代码如下:

     internal class Program     {         static Person person = null;          static void Main(string[] args)         {             var age = person.age19999;              Console.WriteLine(age);         }     }  

接下来我们将断点放在 var age = person.age19999; 上继续看反汇编代码。

 ------------- var age = person.age19999;  ------------- 0804657E  mov         ecx,dword ptr ds:[49F1F4Ch]   08046584  mov         dword ptr [ebp-40h],ecx   08046587  mov         ecx,dword ptr [ebp-40h]   0804658A  cmp         dword ptr [ecx],ecx   0804658C  mov         ecx,dword ptr [ebp-40h]   0804658F  mov         ecx,dword ptr [ecx+13880h]   08046595  mov         dword ptr [ebp-3Ch],ecx    

从上面的汇编代码可以看出几点信息。

  • 汇编代码行数多了。

  • ecx+13880h 冲出了 null 区(FFFF) 的边界。

接下来单步调试汇编,发现在 cmp dword ptr [ecx],ecx 处抛了异常。。。

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常?

大家都知道此时的 ecx 的地址是 0 ,从 ecx 上取内容肯定会抛访问违例,而且这段代码很诡异,一般来说 cmp 之后都是类似 jz,jnz 跳转指令,而它仅仅是个半残之句。。。

从这些特征看,这是 JIT 故意在取偏移之前尝试判断 ecx 是不是 null,动机不纯哈。。。。

三:总结

从这些分析中可以得知,JIT 还是很智能的。

  • 当偏移值落在 0~FFFF 禁入区内,JIT 就不生成判断代码来减少代码体积。

  • 在偏移值冲出了 0~FFFF 禁入区,JIT 不得不生成代码来判断。

哈哈,本篇是不是很有意思,希望对大家有帮助。

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常?