为什么 C# 访问 null 字段会抛异常？

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所属分类：.NET技术

摘要

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。

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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：

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常？

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。

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常？

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);         }     }

为什么 C# 访问 null 字段会抛异常？

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。