如何在指针中隐藏数据?

编写 C 语言代码时,指针无处不在。我们可以稍微额外利用指针,在它们内部暗中存储一些额外信息。为实现这一技巧,我们利用了数据在内存中的自然对齐特性。

内存中的数据并非保存在任意地址。处理器通常按照其字大小相同的块读取内存数据;那么考虑到效率因素,编译器会按照块大小的整数倍对内存中的实体进行地址对齐。因此在 32 位的处理器上,一个 4 字节整型数据肯定存放在内存地址能被4整除的地方。

下面,假设系统中整型数据和指针大小均为 4 字节。

现在有一个指向整型的指针。如上所述,整型数据可以存放在内存地址 0x1000 或者 0x1004 或者 0x1008,但是决不会存放在 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整数倍的二进制数都是以 00 结尾。实际上,这意味着对于所有指向整型的指针,它的最后两位总是 0。

那么有 2 比特没有承载任何信息。此处的技巧是将我们的数据放置到这两个比特中,在需要时使用,并在通过指针解引用来访问内存前删除它们。

由于 C 标准对指针位操作的支持不是很好,所以我们将指针保存为一个无符号整型数据。

下面是一段简短的简单代码片段。完整的代码查看 github 代码仓库中的 hide-data-in-ptr

代码输出如下:

我们可以在指针中存储任何可以用两个比特位表示的数据。使用 put_data() 函数,设置指针的最低两位为要存储的数据。该数据可以使用get_data() 函数获取。此处除了最后两位所有的位都被覆盖为零,于是我们隐藏的数据就显示出来。

cleanse_pointer() 函数将最低两位置零,保证指针安全地解引用。注意虽然有些 CPU(像 Intel 允许我们访问未对齐内存地址,但其余 CPU(像 ARM)会出现访问错误。所以,要牢记在解引用前保证指针指向已对齐内存地址。

这在实际中有应用吗?

是的,有应用。查看 Linux 内核中红黑树的实现(链接)。

树的结点定义如下:

此处 unsigned long __rb_parent_color 存储了如下信息:

  1. 父节点的地址
  2. 结点的颜色

色彩的表示用 0 代表红色,1 代表黑色。

和前面的例子一样,该数据隐藏在父指针“无用的”比特位中。

下面看一下父指针和色彩信息是如何获取的:


内存中每一比特都很珍贵,咱们永远不要浪费。——(本文作者)

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关于作者:汤晓

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