为什么 C# 访问 null 字段会抛异常？

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。