Чому знаходження ініціалізатора типу кидає NullReferenceException?

Це мене наткнуло. Я намагався оптимізувати деякі тести для Noda Time, де у нас є перевірка типу ініціалізатора. Я подумав, що я дізнаюся, чи є у типу ініціалізатор типу (статичний конструктор або статичні змінні з ініціалізаторами), перш ніж завантажувати все в нове AppDomain. На мій подив, невеликий тест цього викинув NullReferenceException- незважаючи на те, що в моєму коді немає нульових значень . Це тільки кидає виняток при компіляції без інформації налагодження.

Ось коротка, але повна програма для демонстрації проблеми:

using System;

class Test
{
    static Test() {}

    static void Main()
    {
        var cctor = typeof(Test).TypeInitializer;
        Console.WriteLine("Got initializer? {0}", cctor != null);
    }    
}

І стенограма складання та виведення:

c:\Users\Jon\Test>csc Test.cs
Microsoft (R) Visual C# Compiler version 4.0.30319.17626
for Microsoft (R) .NET Framework 4.5
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.


c:\Users\Jon\Test>test

Unhandled Exception: System.NullReferenceException: Object reference not set to
an instance of an object.
   at System.RuntimeType.GetConstructorImpl(BindingFlags bindingAttr, Binder bin
der, CallingConventions callConvention, Type[] types, ParameterModifier[] modifi
ers)
   at Test.Main()

c:\Users\Jon\Test>csc /debug+ Test.cs
Microsoft (R) Visual C# Compiler version 4.0.30319.17626
for Microsoft (R) .NET Framework 4.5
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.


c:\Users\Jon\Test>test
Got initializer? True

Тепер ви помітите, що я використовую .NET 4.5 (кандидат на випуск) - що може бути актуальним тут. Мені дещо складно тестувати це з різними іншими оригінальними рамками (зокрема, "ванільною". NET 4), але якщо хтось інший має легкий доступ до машин з іншими рамками, я був би зацікавлений у результатах.

Інші деталі:

• Я працюю на машині x64, але ця проблема виникає як при зборах x86, так і x64
• Це "налагодженість" викликового коду, яка має значення - навіть якщо в тестовому випадку вище він тестує його на власній збірці, коли я спробував це проти Noda Time, мені не довелося перекомпілювати, NodaTime.dllщоб побачити відмінності - якраз те, на Test.csяке йдеться.
• Запуск "зламаної" збірки на Mono 2.10.8 не кидає

Будь-які ідеї? Рамкова помилка?

EDIT: Curiouser та curiouser. Якщо ви приймаєте Console.WriteLineдзвінок:

using System;

class Test
{
    static Test() {}

    static void Main()
    {
        var cctor = typeof(Test).TypeInitializer;
    }    
}

Тепер вона виходить з ладу лише при компіляції з csc /o- /debug-. Якщо увімкнути оптимізацію, ( /o+) це працює. Але якщо ви включите Console.WriteLineвиклик відповідно до оригіналу, обидві версії не зможуть.

з csc test.cs:

(196c.1874): Access violation - code c0000005 (first chance)
mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0xa3:
000007fe`e5735403 488b4608        mov     rax,qword ptr [rsi+8] ds:00000000`00000008=????????????????

Спроба завантажити з [rsi+8]того @rsiмоменту, коли NULL. Дозволяє перевірити функцію:

0:000> ln 000007fe`e5735403
(000007fe`e5735360)   mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0xa3
0:000> uf 000007fe`e5735360
Flow analysis was incomplete, some code may be missing
mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[]):
000007fe`e5735360 53              push    rbx
000007fe`e5735361 55              push    rbp
000007fe`e5735362 56              push    rsi
000007fe`e5735363 57              push    rdi
000007fe`e5735364 4154            push    r12
000007fe`e5735366 4883ec30        sub     rsp,30h
000007fe`e573536a 498bf8          mov     rdi,r8
000007fe`e573536d 8bea            mov     ebp,edx
000007fe`e573536f 48c744242800000000 mov   qword ptr [rsp+28h],0
000007fe`e5735378 488bb42480000000 mov     rsi,qword ptr [rsp+80h]
000007fe`e5735380 4889742420      mov     qword ptr [rsp+20h],rsi
000007fe`e5735385 41b903000000    mov     r9d,3
...    
mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0x97:
000007fe`e57353f7 488b4b08        mov     rcx,qword ptr [rbx+8]
000007fe`e57353fb 85c9            test    ecx,ecx
000007fe`e57353fd 0f848e000000    je      mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0x131 (000007fe`e5735491)

mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0xa3:
000007fe`e5735403 488b4608        mov     rax,qword ptr [rsi+8]
000007fe`e5735407 85c0            test    eax,eax
000007fe`e5735409 7545            jne     mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0xf0 (000007fe`e5735450)
...

@rsiзавантажується спочатку з цього, [rsp+20h]тому він повинен бути переданий абонентом. Давайте подивимося на абонента:

0:000> k3
Child-SP          RetAddr           Call Site
00000000`001fec70 000007fe`8d450110 mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0xa3
00000000`001fecd0 000007fe`ecb6e073 image00000000_01120000!Test.Main()+0x60
00000000`001fed20 000007fe`ecb6dcb2 clr!CoUninitializeEE+0x7ae1f
0:000> ln 000007fe`8d450110
(000007fe`8d4500b0)   image00000000_01120000!Test.Main()+0x60
0:000> uf 000007fe`8d4500b0
image00000000_01120000!Test.Main():
000007fe`8d4500b0 53              push    rbx
000007fe`8d4500b1 4883ec40        sub     rsp,40h
000007fe`8d4500b5 e8a69ba658      call    mscorlib_ni!System.Console.get_In() (000007fe`e5eb9c60)
000007fe`8d4500ba 4c8bd8          mov     r11,rax
000007fe`8d4500bd 498b03          mov     rax,qword ptr [r11]
000007fe`8d4500c0 488b5048        mov     rdx,qword ptr [rax+48h]
000007fe`8d4500c4 498bcb          mov     rcx,r11
000007fe`8d4500c7 ff5238          call    qword ptr [rdx+38h]
000007fe`8d4500ca 488d0d7737eeff  lea     rcx,[000007fe`8d333848]
000007fe`8d4500d1 e88acb715f      call    clr!CoUninitializeEE+0x79a0c (000007fe`ecb6cc60)
000007fe`8d4500d6 4c8bd8          mov     r11,rax
000007fe`8d4500d9 48b92012531200000000 mov rcx,12531220h
000007fe`8d4500e3 488b09          mov     rcx,qword ptr [rcx]
000007fe`8d4500e6 498b03          mov     rax,qword ptr [r11]
000007fe`8d4500e9 4c8b5068        mov     r10,qword ptr [rax+68h]
000007fe`8d4500ed 48c744242800000000 mov   qword ptr [rsp+28h],0
000007fe`8d4500f6 48894c2420      mov     qword ptr [rsp+20h],rcx
000007fe`8d4500fb 41b903000000    mov     r9d,3
000007fe`8d450101 4533c0          xor     r8d,r8d
000007fe`8d450104 ba38000000      mov     edx,38h
000007fe`8d450109 498bcb          mov     rcx,r11
000007fe`8d45010c 41ff5228        call    qword ptr [r10+28h]
000007fe`8d450110 48bb1032531200000000 mov rbx,12533210h
000007fe`8d45011a 488b1b          mov     rbx,qword ptr [rbx]
000007fe`8d45011d 33d2            xor     edx,edx
000007fe`8d45011f 488bc8          mov     rcx,rax
000007fe`8d450122 e829452e58      call    mscorlib_ni!System.Reflection.ConstructorInfo.op_Equality(System.Reflection.ConstructorInfo, System.Reflection.ConstructorInfo) (000007fe`e5734650)
000007fe`8d450127 0fb6c8          movzx   ecx,al
000007fe`8d45012a 33c0            xor     eax,eax
000007fe`8d45012c 85c9            test    ecx,ecx
000007fe`8d45012e 0f94c0          sete    al
000007fe`8d450131 0fb6c8          movzx   ecx,al
000007fe`8d450134 894c2430        mov     dword ptr [rsp+30h],ecx
000007fe`8d450138 488d542430      lea     rdx,[rsp+30h]
000007fe`8d45013d 488d0d24224958  lea     rcx,[mscorlib_ni+0x682368 (000007fe`e58e2368)]
000007fe`8d450144 e807246a5f      call    clr+0x2550 (000007fe`ecaf2550)
000007fe`8d450149 488bd0          mov     rdx,rax
000007fe`8d45014c 488bcb          mov     rcx,rbx
000007fe`8d45014f e81cab2758      call    mscorlib_ni!System.Console.WriteLine(System.String, System.Object) (000007fe`e56cac70)
000007fe`8d450154 90              nop
000007fe`8d450155 4883c440        add     rsp,40h
000007fe`8d450159 5b              pop     rbx
000007fe`8d45015a c3              ret

(Мій демонтаж показує, System.Console.get_Inтому що я додав Console.GetLine()у test.cs, щоб мати можливість зламати налагоджувач. Я перевірив, що це не змінює поведінку).

Ми перебуваємо в цьому дзвінку: 000007fe8d45010c 41ff5228 call qword ptr [r10+28h](наша адреса повернення AV-кадру - це інструкція відразу після цього call).

Давайте порівняємо це з тим, що відбувається, коли ми компілюємо csc /debug test.cs. Ми можемо встановити, на bp 000007fee5735360щастя, модуль завантажується за тією ж адресою. Інструкція, що завантажує @rsi:

0:000> r
rax=000007fee58e2f30 rbx=00000000027c6258 rcx=00000000027c6258
rdx=0000000000000038 rsi=00000000002debd8 rdi=0000000000000000
rip=000007fee5735378 rsp=00000000002de990 rbp=0000000000000038
 r8=0000000000000000  r9=0000000000000003 r10=000007fee58831c8
r11=00000000002de9c0 r12=0000000000000000 r13=00000000002dedc0
r14=00000000002dec58 r15=0000000000000004
iopl=0         nv up ei pl nz na po nc
cs=0033  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000206
mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0x18:
000007fe`e5735378 488bb42480000000 mov     rsi,qword ptr [rsp+80h] ss:00000000`002dea10=a0627c0200000000

Зауважте, що @rsiце 00000000002debd8. Якщо перейти через функцію, ви побачите, що це адреса, яка пізніше буде відзначена в тому місці, коли бомби exe бомбують (тобто @rsiне змінюються). Стек дуже цікавий тим, що показує додатковий кадр :

0:000> k3
Child-SP          RetAddr           Call Site
00000000`002de990 000007fe`e5eddf68 mscorlib_ni!System.RuntimeType.GetConstructorImpl(System.Reflection.BindingFlags, System.Reflection.Binder, System.Reflection.CallingConventions, System.Type[], System.Reflection.ParameterModifier[])+0x18
00000000`002de9f0 000007fe`8d460119 mscorlib_ni!System.Type.get_TypeInitializer()+0x48
00000000`002dea30 000007fe`ecb6e073 good!Test.Main()+0x49*** WARNING: Unable to verify checksum for good.exe

0:000> ln 000007fe`e5eddf68
(000007fe`e5eddf20)   mscorlib_ni!System.Type.get_TypeInitializer()+0x48
0:000> uf 000007fe`e5eddf20
mscorlib_ni!System.Type.get_TypeInitializer():
000007fe`e5eddf20 53              push    rbx
000007fe`e5eddf21 4883ec30        sub     rsp,30h
000007fe`e5eddf25 488bd9          mov     rbx,rcx
000007fe`e5eddf28 ba22010000      mov     edx,122h
000007fe`e5eddf2d b901000000      mov     ecx,1
000007fe`e5eddf32 e8d1a075ff      call    CORINFO_HELP_GETSHARED_GCSTATIC_BASE (000007fe`e5638008)
000007fe`e5eddf37 488b88f0010000  mov     rcx,qword ptr [rax+1F0h]
000007fe`e5eddf3e 488b03          mov     rax,qword ptr [rbx]
000007fe`e5eddf41 4c8b5068        mov     r10,qword ptr [rax+68h]
000007fe`e5eddf45 48c744242800000000 mov   qword ptr [rsp+28h],0
000007fe`e5eddf4e 48894c2420      mov     qword ptr [rsp+20h],rcx
000007fe`e5eddf53 41b903000000    mov     r9d,3
000007fe`e5eddf59 4533c0          xor     r8d,r8d
000007fe`e5eddf5c ba38000000      mov     edx,38h
000007fe`e5eddf61 488bcb          mov     rcx,rbx
000007fe`e5eddf64 41ff5228        call    qword ptr [r10+28h]
000007fe`e5eddf68 90              nop
000007fe`e5eddf69 4883c430        add     rsp,30h
000007fe`e5eddf6d 5b              pop     rbx
000007fe`e5eddf6e c3              ret
0:000> ln 000007fe`8d460119

Дзвінок той самий, call qword ptr [r10+28h]що ми бачили раніше, тому в поганому випадку ця функція, ймовірно, була вбудована в Main(), тому факт, що є додатковий кадр, є червоною оселедець. Якщо ми подивимося на підготовку цього call qword ptr [r10+28h]ми помічаємо цю інструкцію: mov qword ptr [rsp+20h],rcx. Це те, що завантажує адресу, яка в кінцевому підсумку буде відменена @rsi. У хорошому випадку @rcxзавантажується так:

000007fe`e5eddf32 e8d1a075ff      call    CORINFO_HELP_GETSHARED_GCSTATIC_BASE (000007fe`e5638008)
000007fe`e5eddf37 488b88f0010000  mov     rcx,qword ptr [rax+1F0h]

У поганому випадку це виглядає зовсім інакше:

000007fe`8d4600d9 48b92012721200000000 mov rcx,12721220h
000007fe`8d4600e3 488b09          mov     rcx,qword ptr [rcx]

Це дуже різне. На відміну від хорошого випадку, який викликає CORINFO_HELP_GETSHARED_GCSTATIC_BASE і читає те, що закінчується як критичний покажчик, який викликає AV від деякого члена при зміщенні 1F0у структурі повернення, оптимізований код завантажує його зі статичної адреси. І звичайно 12721220h містить NULL:

0:000> dp 12721220h L8
00000000`12721220  00000000`00000000 00000000`00000000
00000000`12721230  00000000`00000000 00000000`02722198
00000000`12721240  00000000`027221c8 00000000`027221f8
00000000`12721250  00000000`02722228 00000000`02722258

На жаль, для мене вже пізно копати глибше, розбирання CORINFO_HELP_GETSHARED_GCSTATIC_BASEдалеко не банальне. Я публікую це з надією, що хтось більш обізнаний у внутрішніх умовах CLR може мати сенс (як ви бачите, я дійсно розглядав проблему лише з нативних інструкцій POV і повністю ігнорував IL).

Оскільки я вважаю, що знайшов нові цікаві висновки щодо проблеми, я вирішив додати їх як відповідь, одночасно визнаючи, що вони не вирішують питання "чому це відбувається" в оригінальному запитанні. Можливо, хтось, хто знає більше про внутрішню роботу відповідних типів, може опублікувати повчальну відповідь, грунтуючись також на спостереженнях, які я публікую.

Також мені вдалося відтворити проблему на своїй машині, і я відстежив зв’язок із інтерфейсом System.Runtime.InteropServices._Type , який реалізується System.Typeкласом.

Спочатку я знайшов щонайменше 3 способи вирішення проблеми:

1. Просто за допомогою введення методу Typeдо _Typeвсередині Main:

   var cctor = ((_Type)typeof(Test)).TypeInitializer;

2. Або переконавшись, що підхід 1 застосовувався раніше всередині методу:

   var warmUp = ((_Type)typeof(Test)).TypeInitializer; 
   var cctor = ((Type)typeof(Test)).TypeInitializer;

3. Або додавши статичне поле до Testкласу та ініціалізувавши його (за допомогою кастингу _Type):

   static ConstructorInfo _dummy1 = (typeof(object) as _Type).TypeInitializer;

Пізніше я виявив, що якщо ми не хочемо залучати System.Runtime.InteropServices._Typeінтерфейс у обхідні шляхи, проблема не виникає також:

1. Додавання статичного поля до Testкласу та ініціалізація його (без його викидання _Type):

   static ConstructorInfo _dummy2 = typeof(object).TypeInitializer;

2. Або ініціалізуючи саму cctorзмінну як статичне поле класу:

   static ConstructorInfo cctor = typeof(Test).TypeInitializer;

Я з нетерпінням чекаю ваших відгуків.