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为什么以下 C# 方法 CallViaStruct
的 X86 包含 cmp
指令?
struct Struct {
public void NoOp() { }
}
struct StructDisptach {
Struct m_struct;
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
public void CallViaStruct() {
m_struct.NoOp();
//push ebp
//mov ebp,esp
//cmp byte ptr [ecx],al
//pop ebp
//ret
}
}
这是一个更完整的程序,可以将各种(发布)反编译作为注释进行编译。我希望 ClassDispatch
和 StructDispatch
类型中的 CallViaStruct
的 X86 是相同的,但是 StructDispatch
中的版本(上面提取的)包含一个 cmp
指令,而另一个则不包含。
看来 cmp
指令是一个惯用语,用于确保变量不为空;取消引用值为 0 的寄存器会触发一个 av
,它会变成一个 NullReferenceException
。但是在 StructDisptach.CallViaStruct
中,我无法想象 ecx
指向一个结构的方法是 null。
更新:我希望接受的答案将包括导致 NRE 被 StructDisptach.CallViaStruct
抛出的代码,方法是让 cmp
指令取消引用归零 ecx
寄存器。请注意,这很容易通过设置 m_class = null
使用 CallViaClass
方法来实现,而使用 ClassDisptach.CallViaStruct
则不可能,因为没有cmp
指令。
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace NativeImageTest {
struct Struct {
public void NoOp() { }
}
class Class {
public void NoOp() { }
}
class ClassDisptach {
Class m_class;
Struct m_struct;
internal ClassDisptach(Class cls) {
m_class = cls;
m_struct = new Struct();
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
public void CallViaClass() {
m_class.NoOp();
//push ebp
//mov ebp,esp
//mov eax,dword ptr [ecx+4]
//cmp byte ptr [eax],al
//pop ebp
//ret
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
public void CallViaStruct() {
m_struct.NoOp();
//push ebp
//mov ebp,esp
//pop ebp
//ret
}
}
struct StructDisptach {
Class m_class;
Struct m_struct;
internal StructDisptach(Class cls) {
m_class = cls;
m_struct = new Struct();
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
public void CallViaClass() {
m_class.NoOp();
//push ebp
//mov ebp,esp
//mov eax,dword ptr [ecx]
//cmp byte ptr [eax],al
//pop ebp
//ret
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
public void CallViaStruct() {
m_struct.NoOp();
//push ebp
//mov ebp,esp
//cmp byte ptr [ecx],al
//pop ebp
//ret
}
}
class Program {
static void Main(string[] args) {
var classDispatch = new ClassDisptach(new Class());
classDispatch.CallViaClass();
classDispatch.CallViaStruct();
var structDispatch = new StructDisptach(new Class());
structDispatch.CallViaClass();
structDispatch.CallViaStruct();
}
}
}
更新:事实证明可以在非虚拟函数上使用 callvirt
,它具有空检查 this 指针的副作用。虽然 CallViaClass
调用站点就是这种情况(这就是我们在那里看到 null 检查的原因)StructDispatch.CallViaStruct
使用了 call
指令。
.method public hidebysig instance void CallViaClass() cil managed noinlining
{
// Code size 12 (0xc)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: ldfld class NativeImageTest.Class NativeImageTest.StructDisptach::m_class
IL_0006: callvirt instance void NativeImageTest.Class::NoOp()
IL_000b: ret
} // end of method StructDisptach::CallViaClass
.method public hidebysig instance void CallViaStruct() cil managed noinlining
{
// Code size 12 (0xc)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: ldflda valuetype NativeImageTest.Struct NativeImageTest.StructDisptach::m_struct
IL_0006: call instance void NativeImageTest.Struct::NoOp()
IL_000b: ret
} // end of method StructDisptach::CallViaStruct
更新:有人建议 cmp
可能会捕获 null
this 指针未在调用站点捕获的情况。如果是这种情况,那么我希望 cmp
在方法的顶部出现一次。然而,它在每次调用 NoOp
时出现一次:
struct StructDisptach {
Struct m_struct;
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
public void CallViaStruct() {
m_struct.NoOp();
m_struct.NoOp();
//push ebp
//mov ebp,esp
//cmp byte ptr [ecx],al
//cmp byte ptr [ecx],al
//pop ebp
//ret
}
}
最佳答案
简短回答:JITter 无法证明该结构未被指针引用,并且必须在每次调用 NoOp() 时至少取消引用一次以实现正确的行为。
长答案:结构很奇怪。
JITter 是保守的。在可能的情况下,它只能以绝对可以确定产生正确行为的方式优化代码。 “大部分正确”还不够好。
现在这是一个示例场景,如果 JITter 优化取消引用,该场景将会中断。考虑以下事实:
首先:请记住,结构可以(并且确实!)存在于 C# 之外——例如,指向 StructDispatch 的指针可能来自非托管代码。正如卢卡斯指出的那样,您可以使用指针来作弊;但是 JITter 无法确定您没有在代码中的其他地方使用指向 StructDispatch 的指针。
第二:请记住,在非托管代码中,这是结构首先存在的最大原因,所有的赌注都没有了。仅仅因为您只是从内存中读取一个值并不意味着它会是相同的值,甚至在您下次读取相同的地址时是一个值。线程和多处理实际上可以在下一个时钟周期改变该值,更不用说像 DMA 这样的非 CPU 参与者了。并行线程可以 VirtualFree() 包含该结构的页面,而 JITter 必须防范这种情况。你要求从内存中读取,所以你从内存中读取。我的猜测是,如果您启动优化器,它会删除其中一个 cmp 指令,但我非常怀疑它是否会同时删除这两个指令。
第三:异常也是真正的代码。 NullReferenceException 不一定会停止程序;它可以被捕获和处理。这意味着从 JITter 的角度来看,NRE 更像是一个 if 语句而不是一个 goto:它是一种条件分支,必须在每次内存取消引用时处理和考虑。
所以现在把这些碎片放在一起。
JITter 不知道——也不能知道——你没有使用不安全的 C# 或其他地方的外部源来与 StructDispatch 的内存交互。它不会生成 CallViaStruct() 的单独实现,一种用于“可能安全的 C# 代码”,另一种用于“可能有风险的外部代码”;它始终为可能存在风险的场景生成保守版本。这意味着它不能完全切断对 NoOp() 的调用,因为不能保证 StructDispatch 不会映射到甚至没有分页到内存中的地址。
它知道 NoOp() 是空的并且可以省略(调用可以消失),但它至少必须通过戳结构体的内存地址来模拟 ldfla,因为那里可能是取决于所提出的 NRE 的代码。内存取消引用就像 if 语句:它们可以导致分支,而未能导致分支可能会导致程序中断。微软不能做出假设,只是说,“你的代码不应该依赖于它。”想象一下,如果 NRE 没有写入企业的错误日志,只是因为 JITter 认为它不是一个“足够重要”的 NRE,一开始就触发,那么愤怒的电话会打给 Microsoft。 JITter 别无选择,只能取消引用该地址至少一次以确保语义正确。
类没有任何这些问题;类没有强制内存怪异。但是,结构更古怪。
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