Разыменование пустого указателя как исправить

Разыменовывание нулевого указателя приводит к неопределённому поведению

Ненароком я породил большую дискуссию, касающуюся того, допустимо ли использовать в Си/Си++ выражение &P->m_foo, если P является нулевым указателем. Программисты разделились на два лагеря. Одни уверенно доказывали, что так писать нельзя, другие столь же уверенно утверждали, что можно. Приводились различные аргументы и ссылки. И я понял, что нужно внести окончательную ясность в этот вопрос. Для этого я обратился к экспертам Microsoft MVP и разработчикам Visual C++, общающимся через закрытый список рассылки. Они помогли подготовить эту статью, и я представляю её всем желающим. Для нетерпеливых: этот код не корректен.

Напомню историю обсуждений

Все началось со статьи о проверке ядра Linux с помощью анализатора PVS-Studio. Но сама проверка ядра тут ни причём. Дело в том, что в статье я привёл следующий фрагмент из кода Linux:

static int podhd_try_init(struct usb_interface *interface,
        struct usb_line6_podhd *podhd)
{
  int err;
  struct usb_line6 *line6 = &podhd->line6;

  if ((interface == NULL) || (podhd == NULL))
    return -ENODEV;
  ....
}

Я назвал этот код опасным, так как посчитал, что здесь имеет место неопределённое поведение.

По этому поводу я получил много возражений от читателей и даже одно время был готов поддаться на их убедительные речи в письмах и комментариях. Например, в качестве доказательства корректности кода приводили устройство макроса offsetof, который часто реализован так:

#define offsetof(st, m) ((size_t)(&((st *)0)->m))

Здесь имеет место разыменование нулевого указателя, но код успешно работает. Были и другие письма с рассуждениями того, что раз нет доступа по нулевому указателю, то нет и проблемы.

Хотя я и доверчивый, но стараюсь проверять информацию. Я начал разбираться с этой темой и в результате написал небольшую статью: “Размышления над разыменованием нулевого указателя”.

По всему выходило, что я был прав. Так писать нельзя. Однако я не смог окончательно обосновать свою позицию и привести нужные ссылки на стандарт.

После статьи вновь последовали письма с возражениями, и я понял, что надо разобраться с данной темой окончательно. Я обратился с вопросом к экспертам, чтобы узнать их мнение. Эта статья является их обобщенным ответом.

О языке Си

Выражение ‘&podhd->line6’ является неопределенным поведением в языке C в том случае, если ‘podhd’ — нулевой указатель.

Вот что говорится про оператор взятия адреса ‘&’ в стандарте C99 (Раздел 6.5.3.2 «Операторы взятия адреса и разыменовывания»):

Операнд унарного оператора & должен быть либо указателем функции, либо результатом оператора [] или унарного оператора *, либо lvalue-выражением, указывающим на объект, который не является битовым полем и не содержит в объявлении спецификатора регистрового класса памяти.

Выражение ‘podhd->line6’ однозначно не является указателем функции, результатом оператора [] или *. Это как раз lvalue-выражение. Однако, когда указатель ‘podhd’ равен нулю, выражение не указывает на объект, поскольку в Разделе 6.3.2.3 «Указатели» сказано следующее:

Если константа нулевого указателя приводится к типу указателей, то результирующий указатель, называемый нулевым, гарантированно будет не равен указателю на любой объект или функцию.

Если «lvalue-выражение не указывает на объект при своем вычислении, возникает неопределенное поведение» (Стандарт C99, Раздел 6.3.2.1 «Lvalue-выражения, массивы и указатели функций»):

lvalue — это выражение объектного типа или неполного типа, отличного от void; если lvalue-выражение не указывает на объект при своем вычислении, возникает неопределенное поведение.

Ещё раз кратко:

Когда оператор -> был применен к указателю, его результатом стало lvalue-выражение, для которого не существует объекта, и в результате мы имеем дело с неопределенным поведением.

О языке Си++

В языке С++ всё обстоит точно также. Выражение ‘&podhd->line6’ является неопределенным поведением в языке C++ в том случае, если ‘podhd’ — нулевой указатель.

С толку немного сбивает дискуссия на WG21 (232. Is indirection through a null pointer undefined behavior?), на которую я ссылался в предыдущей статье. Там настаивают, будто бы такое выражение не является неопределенным поведением. Однако никто так и не нашел никаких правил в стандартах C++, которые разрешали бы использовать «poldh->line6», когда «polhd» — нулевой указатель.

Указатель «polhd» нарушает основное ограничение (Раздел 5.2.5/4, второй пункт в списке) о том, что он должен указывать на объект. Ни один объект в C++ не может иметь адреса nullptr.

Итого

struct usb_line6 *line6 = &podhd->line6;

Этот код является некорректным в языке Си и Си++, если указатель podhd равен 0. Если указатель равен 0, то возникает неопределённое поведение.

То, что программа может работать, является везением. Неопределённое поведение может проявить себя, как угодно. В том числе, программа может работать так, как хотел программист. Это один из частных случаев, но не более того.

Так писать нельзя. Указатель должен быть проверен до разыменования.

Разное в дополнение

• При рассмотрении идиоматической реализации offsetof() следует учитывать, что компилятору разрешено использовать непереносимые приемы для реализации этой функциональности. Тот факт, что в реализации библиотеки в компиляторе используется константа нулевого указателя при реализации offsetof(), вовсе не означает, что в пользовательском коде можно без опаски применять ‘&podhd->line6′ в случае, когда’podhd’ является нулевым указателем.
• GCC может (и делает это) проводить оптимизацию, основываясь на предположении, что никакого неопределенного поведения возникнуть не может, и убрать в данном случае проверки указателей на ноль — поэтому ядро компилируется с набором ключей, указывающих компилятору не делать этого. Например, эксперты в качестве примера ссылаются на статью “What Every C Programmer Should Know About Undefined Behavior #2/3”.
• Возможно, вам также будет интересно узнать, что подобным образом нулевой указатель был задействован в эксплойте ядра с помощью TUN/TAP-драйва. Подробности можно посмотреть по ссылке “Fun with NULL pointers”. Некоторые могут решить, будто эти два примера имеют мало общего, поскольку во втором случае есть существенное отличие: в баге TUN/TAP-драйвера вместо простого взятия адреса поля структуры, к которому обращался нулевой указатель, это поле было явно взято в качестве значения для инициализации переменной. Однако с точки зрения стандарта C взятие адреса поля с помощью нулевого указателя также является неопределенным поведением.
• А есть ли какая-та ситуация, когда при P == nullptr мы напишем &P->m_foo и всё будет хорошо? Да, например это может быть аргументом оператора sizeof: sizeof(&P->m_foo).

Благодарности

В подготовке статьи мне помогли эксперты, сомневаться в компетенции, которых нет повода. Я благодарен за помощь в написании статьи следующим людям:

• Майкл Бёрр — горячий поклонник языка C/C++ и специалист по системному и встроенному ПО, в том числе службам Windows, работе с сетями и драйверам устройств. Активно участвует в жизни сообщества StackOverflow, отвечая на вопросы программистов по C и C++ (а иногда и на некоторые простые вопросы по C#). Имеет 6 наград Microsoft MVP в номинации Visual C++.
• Билли О’Нил — разработчик ПО на C++ (преимущественно) и активный участник сообщества StackOverflow. Является инженером-разработчиком ПО в подразделении по совершенствованию систем безопасности Microsoft (Trustworthy Computing Team). До этого работал в нескольких компаниях, занимающихся безопасностью ПО, в числе которых — Malware Bytes и PreEmptive Solutions.
• Джованни Диканио — программист, специализирующийся на разработке ОС Windows. Автор статей для программистов по C++, OpenGL и другим темам в ряде итальянских компьютерных журналов. Также писал код для некоторых открытых проектов. Джованни помогает коллегам, давая советы по решению программистских проблем, связанных с C и C++, на форумах Microsoft MSDN, а с некоторых пор — и на StackOverflow. Имеет 8 наград Microsoft MVP в номинации Visual C++.
• Габриэль Дус Рейс — главный инженер-разработчик ПО Microsoft. Также является исследователем и долгосрочным участником C++-сообщества. Одно из направлений его научных интересов и исследований — средства разработки надежного ПО. До того, как прийти в Microsoft, работал старшим преподавателем в Техасском Университете A&M (Texas A&M University). В 2012 году Доктор Дус Рейс был отмечен премией Национального Научного Фонда (National Science Foundation CAREER Award) за проведенное им исследование компиляторов надежного ПО в области вычислительной математики и за образовательную деятельность. Является членом комитета по стандартизации языка C++.

Дополнительные ссылки

1. Wikipedia. Неопределённое поведение.
2. A Guide to Undefined Behavior in C and C++. Part 1, 2, 3.
3. Wikipedia. offsetof.
4. LLVM Blog. What Every C Programmer Should Know About Undefined Behavior #2/3.
5. LWN. Fun with NULL pointers. Part 1, 2.

The answer to this question is: it depends which language standard you are following :-).

In C90 and C++, this is not valid because you perform indirection on the null pointer (by doing *p), and doing so results in undefined behavior.

However, in C99, this is valid, well-formed, and well-defined. In C99, if the operand of the unary-& was obtained as the result of applying the unary-* or by performing subscripting ([]), then neither the & nor the * or [] is applied. For example:

int* p = 0;
int* q = &*p; // In C99, this is equivalent to int* q = p;

Likewise,

int* p = 0;
int* q = &p[0]; // In C99, this is equivalent to int* q = p + 0;

From C99 §6.5.3.2/3:

If the operand [of the unary & operator] is the result of a unary * operator, neither that operator nor the & operator is evaluated and the result is as if both were omitted, except that the constraints on the operators still apply and the result is not an lvalue.

Similarly, if the operand is the result of a [] operator, neither the & operator nor the unary * that is implied by the [] is evaluated and the result is as if the & operator were removed and the [] operator were changed to a + operator.

(and its footnote, #84):

Thus, &*E is equivalent to E (even if E is a null pointer)