为什么 C# 访问 null 字段会抛异常？
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2022-07-22 13:53
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：
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。
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);
}
}
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。。。
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。