為什么 C# 訪問 null 字段會拋異常？
一：背景
1. 一個有趣的話題
最近在看 硬件異常 相關知識，發(fā)現一個有意思的空引用異常問題，拿出來和大家分享一下，為了方便講述，先上一段有問題的代碼。
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 是一個 null 對象，很顯然這段代碼會拋異常，那為什么會拋異常呢？要想找原因，需要從最底層的匯編研究起。
二：異常原理分析
1. 從匯編上尋找答案
可以使用 Visual Studio 2022 的反匯編窗口，觀察 var age = person.age; 處到底生成了什么。
---------------- 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
這三句匯編還是很好理解的，4C41F4Ch 存放的是 person 對象， ecx+4 是取 person.age，最后一句就是將 age 放在 ebp-3Ch 棧位置上，接下來我們來看下 null 時的 ecx 到底是多少，截圖如下：
從圖中可以看到，此時的 ecx=0000000，如果大家了解 windows 的虛擬內存布局，應該知道在虛擬內存的 0~0x0000ffff 范圍內是屬于 null 禁入區(qū)，凡是落在這個區(qū)一概屬訪問違例，畫個圖就像下面這樣。
到這里原理就搞清楚了，因為 [ecx+4] = [4] 是落在這個 null 區(qū)所致， 但是。。。。 大家有沒有發(fā)現一個問題，對，就是這里的 [ecx+4]，因為這里有一個 +4 偏移來取 age 字段，那我能不能在 person 中多定義一些字段，然后取最后一個字段從而從 null 區(qū) 沖出去。。。哈哈。
2. 真的可以沖出 null 區(qū)嗎
有了這個想法之后，我決定在 Person 類中定義 10w 個 age 字段，參考代碼如下：
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 生成完畢");
}
}
}
代碼執(zhí)行后，Person.cs 就會如期生成，接下來讀取 person.age99999 看看有沒有奇跡發(fā)生，參考代碼如下：
internal class Program
{
static Person person = null;
static void Main(string[] args)
{
var age = person.age99999;
Console.WriteLine(age);
}
}
我去，萬萬沒想到，把 ClassLoader 給弄崩了。。。。得，那只能改 20000 個 age 試試看吧，參考代碼如下：
internal class Program
{
static Person person = null;
static void Main(string[] args)
{
var age = person.age19999;
Console.WriteLine(age);
}
}
接下來我們將斷點放在 var age = person.age19999; 上繼續(xù)看反匯編代碼。
------------- 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
從上面的匯編代碼可以看出幾點信息。
匯編代碼行數多了。
ecx+13880h 沖出了 null 區(qū)（FFFF) 的邊界。
接下來單步調試匯編，發(fā)現在 cmp dword ptr [ecx],ecx 處拋了異常。。。
大家都知道此時的 ecx 的地址是 0 ，從 ecx 上取內容肯定會拋訪問違例，而且這段代碼很詭異，一般來說 cmp 之后都是類似 jz,jnz 跳轉指令，而它僅僅是個半殘之句。。。
從這些特征看，這是 JIT 故意在取偏移之前嘗試判斷 ecx 是不是 null，動機不純哈。。。。
三：總結
從這些分析中可以得知，JIT 還是很智能的。
當偏移值落在
0~FFFF禁入區(qū)內，JIT 就不生成判斷代碼來減少代碼體積。在偏移值沖出了
0~FFFF禁入區(qū)，JIT 不得不生成代碼來判斷。
哈哈，本篇是不是很有意思，希望對大家有幫助。