静态分配和放置 new 导致空指针取消引用

Question

我在一个不鼓励堆分配的嵌入式平台上工作。我在构建过程中也有循环依赖。鉴于这些限制，我的团队设计了一个静态分配器 class，用于在 .bss 部分分配内存，然后以延迟方式构造对象。

我们面临的问题是在延迟构造期间，编译器生成的代码会尝试引用尚未构造的静态分配内存中的数据 - 未构造时数据在我们的平台上为零 - 这会导致空指针取消引用导致系统崩溃。

可以通过重新排序 classes 的构造顺序来解决崩溃问题。不幸的是，我无法创建该问题的最低限度重现。此外，当涉及虚拟继承时，问题会变得更糟且更难管理。

我们遇到了针对 armclang 和 visual studio 编译器的问题，所以看起来我们可能正在做一些超出 C++ 规范的事情。

静态分配器代码：

template <class UnderlyingType, typename... Args>
class StaticAllocator
{
private:
    typedef std::uint64_t BaseDataType;

    // Define a tuple of the variadic template parameters with the references removed
    using TupleWithRefsRemoved = std::tuple<typename std::remove_reference<Args>::type...>;

    // A function that strips return the ref-less template arguments
    template <typename... T>
    TupleWithRefsRemoved removeRefsFromTupleMembers(std::tuple<T...> const& t)
    {
        return TupleWithRefsRemoved{ t };
    }

public:
    StaticAllocator()
    {
        const auto ptr = reinterpret_cast<UnderlyingType *>(&m_underlyingData);
        assert(ptr != nullptr);
    }

    virtual StaticAllocator* clone() const
    {
        return new StaticAllocator<UnderlyingType, Args...>(*this);
    }

    UnderlyingType *getPtr()
    {
        return reinterpret_cast<UnderlyingType *>(&m_underlyingData);
    }

    const UnderlyingType *getPtr() const
    {
        return reinterpret_cast<const UnderlyingType *>(&m_underlyingData);
    }

    UnderlyingType *operator->()
    {
        return getPtr();
    }

    const UnderlyingType *operator->() const
    {
        return getPtr();
    }

    UnderlyingType &operator*()
    {
        return *getPtr();
    }

    const UnderlyingType &operator*() const
    {
        return *getPtr();
    }

    operator UnderlyingType *()
    {
        return getPtr();
    }

    operator const UnderlyingType *() const
    {
        return getPtr();
    }

    void construct(Args... args)
    {
        _construct(TupleWithRefsRemoved(args...), std::index_sequence_for<Args...>());
    }

    void destroy()
    {
        const auto ptr = getPtr();
        if (ptr != nullptr)
        {
            ptr->~T();
        }
    }

private:
    BaseDataType m_underlyingData[(sizeof(UnderlyingType) + sizeof(BaseDataType) - 1) / sizeof(BaseDataType)];

    // A function that unpacks the tuple of arguments, and constructs them
    template <std::size_t... T>
    void _construct(const std::tuple<Args...>& args, std::index_sequence<T...>)
    {
        new (m_underlyingData) UnderlyingType(std::get<T>(args)...);
    }
};

简单用法示例：

class InterfaceA
{
    // Interface functions here
}

class InterfaceB
{
    // Interface functions here
}


class ObjectA : public virtual InterfaceA
{
public:
    ObjectA(InterfaceB* intrB) : m_intrB(intrB) {}

private:
    InterfaceB* m_intrB;
};

class ObjectB : public virtual InterfaceB
{
public:
    ObjectB(InterfaceA* intrA) : m_intrA(intrA) {}

private:
    InterfaceA* m_intrA;
}

StaticAllocator<ObjectA, InterfaceB*> objectAStorage;
StaticAllocator<ObjectB, InterfaceA*> objectBStorage;

// Crashes happen in this function, there are many more objects in our real
// system and the order of the objects effects if the crash occurs.
void initialize_objects()
{
    auto objA = objectAStorage.getPtr();
    auto objB = objectBStorage.getPtr();

    objectAStorage.construct(objB);
    objectBStorage.construct(objA);
}

Answer 1

这个答案描述了在运行时间发生的问题，使用 GCC 的例子。其他编译器会生成具有类似问题的不同代码，因为您的代码存在固有的缺乏初始化的问题。

如果没有为提高效率而避免动态内存分配，没有通用方法，没有模板，分解了每一步，您的代码实际上可以归结为：

class InterfaceA {};

class InterfaceB {};

class ObjectA : public virtual InterfaceA {
 public:
  ObjectA(InterfaceB *intrB) : m_intrB(intrB) {}

 private:
  InterfaceB *m_intrB;
};

class ObjectB : public virtual InterfaceB {
 public:
  ObjectB(InterfaceA *intrA) : m_intrA(intrA) {}

 private:
  InterfaceA *m_intrA;
};

#include <new>

void simple_init() {
  void *ObjectA_mem = operator new(sizeof(ObjectA));
  void *ObjectB_mem = operator new(sizeof(ObjectB));
  ObjectA *premature_ObjectA = static_cast<ObjectA *>(ObjectA_mem);  // still not constructed
  ObjectB *premature_ObjectB = static_cast<ObjectB *>(ObjectB_mem);
  InterfaceA *ia = premature_ObjectA;  // derived-to-base conversion
  InterfaceB *ib = premature_ObjectB;
  new (ObjectA_mem) ObjectA(ib);
  new (ObjectB_mem) ObjectB(ia);
}

为了最大限度地提高编译代码的可读性，让我们用全局变量来编写它：

void *ObjectA_mem;
void *ObjectB_mem;
ObjectA *premature_ObjectA;
ObjectB *premature_ObjectB;
InterfaceA *ia;
InterfaceB *ib;

void simple_init() {
  ObjectA_mem = operator new(sizeof(ObjectA));
  ObjectB_mem = operator new(sizeof(ObjectB));
  premature_ObjectA = static_cast<ObjectA *>(ObjectA_mem);  // still not constructed
  premature_ObjectB = static_cast<ObjectB *>(ObjectB_mem);
  ia = premature_ObjectA;  // derived-to-base conversion
  ib = premature_ObjectB;
  new (ObjectA_mem) ObjectA(ib);
  new (ObjectB_mem) ObjectB(ia);
}

那个gives us a very nice assembly code。我们可以看到语句：

  ia = premature_ObjectA;  // derived-to-base conversion

编译为：

        movq    premature_ObjectA(%rip), %rax
        testq   %rax, %rax
        je      .L6
        movq    premature_ObjectA(%rip), %rdx
        movq    premature_ObjectA(%rip), %rax
        movq    (%rax), %rax
        subq    , %rax
        movq    (%rax), %rax
        addq    %rdx, %rax
        jmp     .L7
.L6:
        movl    [=13=], %eax
.L7:
        movq    %rax, ia(%rip)

首先我们看到（未优化的）代码测试空指针，相当于

if (premature_ObjectA == 0) 
  ia = 0;
else
  // real stuff

真正的东西是：

    movq    premature_ObjectA(%rip), %rdx
    movq    premature_ObjectA(%rip), %rax
    movq    (%rax), %rax
    subq    , %rax
    movq    (%rax), %rax
    addq    %rdx, %rax
    movq    %rax, ia(%rip)

所以premature_ObjectA指向的一个值被解引用，解释为指针，减24，得到的指针用于读取一个值，该值被添加到原始指针premature_ObjectA.由于 premature_ObjectA 的内容是未初始化的，那显然是行不通的。

发生的事情是编译器正在获取 vptr（vtable 指针）以从 0 级读取位于 -3 "quad" (3*8 = 24) 的条目（像建筑物这样的 vtable 可以有负楼层，就是说0层不是最低层）：

vtable for ObjectA:
        .quad   0
        .quad   0
        .quad   typeinfo for ObjectA
vtable for ObjectB:
        .quad   0
        .quad   0
        .quad   typeinfo for ObjectB

vtable（这些对象中的每一个）从它的末尾开始，在"typeinfo for ObjectA"之后，我们可以在ObjectA::ObjectA(InterfaceB*)的编译代码中看到：

        movl    $vtable for ObjectA+24, %edx
...
        movq    %rdx, (%rax)

所以在构建时，vptr设置为第一个虚函数之前的vtable的"floor 0"，如果没有虚函数，则在最后。

-3 层是 vtable 的开头：

vtable for ObjectA:
        .quad   0

值 0 表示“InterfaceA 位于完整 ObjectA 对象内的偏移量 0”。

vtable 布局的细节将取决于编译器，原则：

在构造函数中初始化 vptr 隐藏数据成员（可能还有多个其他隐藏成员）
在转换为 InterfaceA 基础时使用这些隐藏成员 class

保持不变。

我的解释没有提供修复：我们甚至不知道你有什么样的高级问题，也不知道你为什么使用这些构造函数参数和相互依赖classes.

了解这些 class 代表什么，我们或许可以提供更多帮助。

静态分配和放置 new 导致空指针取消引用

Static allocation and placement new result in null pointer dereference

constructor

initialization

placement-new

virtual-inheritance

c++11