探究C#访问null字段会抛异常原因

 

一：举例说明

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。

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