C語言如何在指針中隱藏數據詳解

前言

編寫 C 語言代碼時，指針無處不在。我們可以稍微額外利用指針，在它們內部暗中存儲一些額外信息。為實現這一技巧，我們利用了數據在內存中的自然對齊特性。

內存中的數據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存數據；那么考慮到效率因素，編譯器會按照塊大小的整數倍對內存中的實體進行地址對齊。因此在 32 位的處理器上，一個 4 字節整型數據肯定存放在內存地址能被4整除的地方。

下面，假設系統中整型數據和指針大小均為 4 字節。

現在有一個指向整型的指針。如上所述，整型數據可以存放在內存地址 0x1000 或者 0x1004 或者 0x1008，但是決不會存放在 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整數倍的二進制數都是以 00 結尾。實際上，這意味著對于所有指向整型的指針，它的最后兩位總是 0。

那么有 2 比特沒有承載任何信息。此處的技巧是將我們的數據放置到這兩個比特中，在需要時使用，并在通過指針解引用來訪問內存前刪除它們。

由于 C 標準對指針位操作的支持不是很好，所以我們將指針保存為一個無符號整型數據。

下面是一段簡短的簡單代碼片段。完整的代碼查看 github 代碼倉庫中的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任何可以用兩個比特位表示的數據。使用 put_data() 函數，設置指針的最低兩位為要存儲的數據。該數據可以使用get_data() 函數獲取。此處除了最后兩位所有的位都被覆蓋為零，于是我們隱藏的數據就顯示出來。

cleanse_pointer() 函數將最低兩位置零，保證指針安全地解引用。注意雖然有些 CPU（像 Intel 允許我們訪問未對齊內存地址，但其余 CPU（像 ARM）會出現訪問錯誤。所以，要牢記在解引用前保證指針指向已對齊內存地址。

這在實際中有應用嗎？

是的，有應用。查看 Linux 內核中紅黑樹的實現（鏈接：https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/rbtree.h）。

樹的結點定義如下：

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 存儲了如下信息：

父節點的地址

結點的顏色

色彩的表示用 0 代表紅色，1 代表黑色。

和前面的例子一樣，該數據隱藏在父指針“無用的”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)

內存中每一比特都很珍貴，咱們永遠不要浪費。——（本文作者）

總結

以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對億速云的支持。