如何使用 GCC 取消引用零地址？ [复制]

Question

假设我需要写入零地址（例如，我在那里有 mmapped 的东西并想访问它，无论出于何种原因，包括好奇），并且该地址在编译时是已知的。以下是我可以想到的一些变体来获取指针，其中一个有效，另外三个无效：

#include <stdint.h>

void testNullPointer()
{
    // Obviously UB
    unsigned* p=0;
    *p=0;
}

void testAddressZero()
{
    // doesn't work for zero, GCC detects it as NULL
    uintptr_t x=0;
    unsigned* p=(unsigned*)x;
    *p=0;
}

void testTrickyAddressZero()
{
    // works, but the resulting assembly is not as terse as it could be
    unsigned* p;
    asm("xor %0,%0\n":"=r"(p));
    *p=0;
}

void testVolatileAddressZero()
{
    // p is updated, but the code doesn't actually work
    unsigned*volatile p=0;
    *p=0; // because this doesn't dereference p! // EDIT: pointee should also be volatile, then this will work
}

我用这个编译

gcc test.c -masm=intel -O3 -c -o test.o

然后objdump -d test.o -M intel --no-show-raw-insn 给我（此处跳过对齐字节）：

00000000 <testNullPointer>:
   0:   mov    DWORD PTR ds:0x0,0x0
   a:   ud2a   

00000010 <testAddressZero>:
  10:   mov    DWORD PTR ds:0x0,0x0
  1a:   ud2a   

00000020 <testTrickyAddressZero>:
  20:   xor    eax,eax
  22:   mov    DWORD PTR [eax],0x0
  28:   ret    

00000030 <testVolatileAddressZero>:
  30:   sub    esp,0x10
  33:   mov    DWORD PTR [esp+0xc],0x0
  3b:   mov    eax,DWORD PTR [esp+0xc]
  3f:   add    esp,0x10
  42:   ret

这里 testNullPointer 显然有 UB，因为它根据定义取消引用空指针。

testAddressZero 的原则将给出除0 以外的任何地址的预期代码，例如1，但对于零，GCC 似乎检测到地址零对应于空指针，因此也会生成 UD2。

asm 获取零地址的方式肯定会抑制编译器的检查，但其代价是即使testAddressZero 的原理可能成功（即如果不是 UD2 和类似的陷阱，每个拱上的相同平面内存模型。此外，代码看起来不像上述两个变体那样简洁。

volatile 指针的方式似乎是最好的，但是这里生成的代码由于某种原因似乎没有取消引用地址，所以它也被破坏了。

现在的问题：如果我以 GCC 为目标，我如何才能无缝访问零地址而不会出现任何陷阱或 UB 的其他后果，并且无需编写汇编代码？

Answer 1

我会将指针放入一个全局变量中：

const uintptr_t zero = 0;
unsigned* zeroAddress= (unsigned *)zero;
void testZeroAddressPointer()
{
    *zeroAddress=0;
}

如果您将地址暴露在优化范围之外（因此编译器无法确定您没有在其他地方设置它），那么应该可以解决问题，尽管效率稍低。

编辑：使此代码独立于隐式零到空转换。

Answer 2

作为一种解决方法，您可以使用 GCC 选项 -fno-delete-null-pointer-checks 来阻止编译器主动检查空指针取消引用。
虽然此选项旨在用于加速代码优化，但它可以在特定情况下使用。

Answer 3

0 地址是我所知道的所有架构上的 C99 NULL 指针（实际上是空指针的“实现”，您通常可以写成 0....）。

空指针在托管 C99 中具有非常特殊的状态：当指针可以（或曾经）取消引用时，保证（由语言规范）不是NULL（否则, 是undefined behavior)。

因此，GCC 编译器有权使用optimize（实际上会优化）

int *p = something();
int x = *p;
/// the compiler is permitted to skip the following
/// because p has been dereferenced so cannot be NULL
if (p == NULL) { doit(); return; };

在您的情况下，您可能希望为 C99 标准的独立子集进行编译。所以用gcc -ffreestanding 编译（注意，这个option 会带来一些不便）。

顺便说一句，您可以声明一些 extern char strange[] __attribute__((weak));（甚至可能添加 asm("0") ...）并使用一些 assembler 或 linker 技巧来实现 strange有一个 0 地址。编译器不会知道这样的strange 符号实际上是在 0 地址...

我的强烈建议是避免取消引用 0 地址....参见this。如果您确实需要尊重地址 0，请准备好受苦......（所以编码一些 asm，降低优化等......）。

^{（如果您有mmap-ed 第一页，请避免在地址 0 处使用其第一个字节；这通常没什么大不了的。）}

^{（IIRC，您正在触及 GCC 优化的灰色区域 - 甚至可能是 C99 语言规范，您当然想要 C 的独立风格；请注意，独立 C 的 -O3 优化是在GCC 编译器中没有经过很好的测试，可能有残留的错误......）}

您可以考虑更改 GCC 编译器，使空指针的数字地址为 42。这需要一些工作。