C語(yǔ)言如何在指針中隱藏?cái)?shù)據(jù)詳解
前言
編寫(xiě) C 語(yǔ)言代碼時(shí),指針無(wú)處不在。我們可以稍微額外利用指針,在它們內(nèi)部暗中存儲(chǔ)一些額外信息。為實(shí)現(xiàn)這一技巧,我們利用了數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的自然對(duì)齊特性。
內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并非保存在任意地址。處理器通常按照其字大小相同的塊讀取內(nèi)存數(shù)據(jù);那么考慮到效率因素,編譯器會(huì)按照塊大小的整數(shù)倍對(duì)內(nèi)存中的實(shí)體進(jìn)行地址對(duì)齊。因此在 32 位的處理器上,一個(gè) 4 字節(jié)整型數(shù)據(jù)肯定存放在內(nèi)存地址能被4整除的地方。
下面,假設(shè)系統(tǒng)中整型數(shù)據(jù)和指針大小均為 4 字節(jié)。
現(xiàn)在有一個(gè)指向整型的指針。如上所述,整型數(shù)據(jù)可以存放在內(nèi)存地址 0x1000 或者 0x1004 或者 0x1008,但是決不會(huì)存放在 0x1001 或者0x1002 或者 0x1003 或者其他不能被4整除的任何地址。所有是4整數(shù)倍的二進(jìn)制數(shù)都是以 00 結(jié)尾。實(shí)際上,這意味著對(duì)于所有指向整型的指針,它的最后兩位總是 0。
那么有 2 比特沒(méi)有承載任何信息。此處的技巧是將我們的數(shù)據(jù)放置到這兩個(gè)比特中,在需要時(shí)使用,并在通過(guò)指針解引用來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存前刪除它們。
由于 C 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指針位操作的支持不是很好,所以我們將指針保存為一個(gè)無(wú)符號(hào)整型數(shù)據(jù)。
下面是一段簡(jiǎn)短的簡(jiǎn)單代碼片段。完整的代碼查看 github 代碼倉(cāng)庫(kù)中的hide-data-in-ptr。
void put_data(int *p, unsigned int data) { assert(data < 4); *p |= data; } unsigned int get_data(unsigned int p) { return (p & 3); } void cleanse_pointer(int *p) { *p &= ~3; } int main(void) { unsigned int x = 701; unsigned int p = (unsigned int) &x; printf("Original ptr: %un", p); put_data(&p, 3); printf("ptr with data: %un", p); printf("data stored in ptr: %un", get_data(p)); cleanse_pointer(&p); printf("Cleansed ptr: %un", p); printf("Dereferencing cleansed ptr: %un", *(int*)p); return 0; }
代碼輸出如下:
Original ptr: 3216722220
ptr with data: 3216722223
data stored in ptr: 3
Cleansed ptr: 3216722220
Dereferencing cleansed ptr: 701
我們可以在指針中存儲(chǔ)任何可以用兩個(gè)比特位表示的數(shù)據(jù)。使用 put_data() 函數(shù),設(shè)置指針的最低兩位為要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以使用get_data() 函數(shù)獲取。此處除了最后兩位所有的位都被覆蓋為零,于是我們隱藏的數(shù)據(jù)就顯示出來(lái)。
cleanse_pointer() 函數(shù)將最低兩位置零,保證指針安全地解引用。注意雖然有些 CPU(像 Intel 允許我們?cè)L問(wèn)未對(duì)齊內(nèi)存地址,但其余 CPU(像 ARM)會(huì)出現(xiàn)訪問(wèn)錯(cuò)誤。所以,要牢記在解引用前保證指針指向已對(duì)齊內(nèi)存地址。
這在實(shí)際中有應(yīng)用嗎?
是的,有應(yīng)用。查看 Linux 內(nèi)核中紅黑樹(shù)的實(shí)現(xiàn)(鏈接:https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/rbtree.h)。
樹(shù)的結(jié)點(diǎn)定義如下:
struct rb_node { unsigned long __rb_parent_color; struct rb_node *rb_right; struct rb_node *rb_left; } __attribute__((aligned(sizeof(long))));
此處 unsigned long __rb_parent_color 存儲(chǔ)了如下信息:
父節(jié)點(diǎn)的地址
結(jié)點(diǎn)的顏色
色彩的表示用 0 代表紅色,1 代表黑色。
和前面的例子一樣,該數(shù)據(jù)隱藏在父指針“無(wú)用的”比特位中。
下面看一下父指針和色彩信息是如何獲取的:
/* in rbtree.h */ #define rb_parent(r) ((struct rb_node *)((r)->__rb_parent_color & ~3)) /* in rbtree_augmented.h */ #define __rb_color(pc) ((pc) & 1) #define rb_color(rb) __rb_color((rb)->__rb_parent_color)
內(nèi)存中每一比特都很珍貴,咱們永遠(yuǎn)不要浪費(fèi)?!ū疚淖髡撸?/p>
總結(jié)
以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了,希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,如果有疑問(wèn)大家可以留言交流,謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。
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