文章目录
  1. 1. 前言
  2. 2. NULL 在编译器中的实现
  3. 3. 访问 NULL 指针的过程
  4. 4. 总结

前言

说到 NULL 指针大家都是谈之色变,第一印象就是 NullPointerException, Segmentation fault 之类的错误。NULL 指针大部分情况下会导致程序被终止。但是其实严格来说,访问空指针会产生不可预料的结果。只不过大部分情况是程序被终止。为什么呢?接下来让我们来探讨访问 NULL 指针错误背后的原理。

NULL 在编译器中的实现

首先,我们来看看 NULL 指针到底是什么?

Null 是一个特殊指针值(或是一种对象引用)表示这个指针并不指向任何的对象。

举一些例子,C/C++ 中的 NULL,Python 中的 None 等等。大部分 NULL 实现是用 0 代表 NULL,例如说 C/C++ 。实际上,NULL 的值并不重要,重要的是它代表的含义。例如说,JVM 规范并没有规定 NULL 的值,不同虚拟机实现可以自己定义 NULL 的值。

总之, NULL 的值取决编译器实现。

访问 NULL 指针的过程

C 语言中,NULL 的值是 0,即 NULL == 0 是成立的。我们前面说访问 NULL 指针的行为会产生不可预料的后果。但是在 Linux 系统中后果是确定的:访问空指针会产生 Segmentation fault 的错误。因此这里的“不可预料”指的是在不同系统产生的后果不一样。

让我们假设现在使用的是 C 语言,运行在 Linux 系统上,以此来分析访问 NULL 指针的过程。

  1. Linux 中,每个进程空间的 0x0 虚拟地址开始的线性区(memory region)都会被映射到一个用户态没有访问权限的页上。通过这样的映射,内核可以保证没有别的页会映射到这个区域。
  2. 编译器把空指针当做 0 对待,开心地让你去访问空指针。
  3. 缺页异常处理程序被调用,因为在 0x0 的页没有在物理内存里面。
  4. 缺页异常处理程序发现你没有访问的权限。
  5. 内核发送 SIGSEGV 信号给进程,该信号默认是让进程自杀。

可以看到:不需要特定的编译器实现或者内核的支持,只需要让一个页映射到 0x0 的虚拟地址上,就完美的实现了检测空指针的错误。

总结

为了研究这个问题,我查了很多资料。空指针的问题涉及 Linux 内存管理的知识,主要参考了 Robert Love 大神对该 问题 的回答和《深入理解Linux内核》。最大的感悟是带着问题去看内核的书,你会理解内核为什么要这么做,同时可以加深理解和记忆。

总之,空指针的实现取决于编译器的实现,访问空指针的后果取决于操作系统的实现。大部分系统类似于 Linux,会产生 Segmentation fault 的错误,至于内部实现就要看各个系统的代码了。

参考资料
What actually happens when dereferencing a NULL pointer?
《深入理解Linux内核》

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  1. 1. 前言
  2. 2. NULL 在编译器中的实现
  3. 3. 访问 NULL 指针的过程
  4. 4. 总结