我能否想要访问地址0？

Question

在C和C ++中，常数0被用作空指针。但是在问题““指向特定固定地址的指针”中，似乎可以使用分配固定地址。在任何系统中，是否有任何可想象的需要，无论是什么低级任务，来访问地址0？

如果有，那么如何解决0是空指针的所有问题呢？

如果没有，是什么确保没有这样的需求？

- Joel

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有趣的问题！我想因为地址0只有1个字节，所以你可以不用它... - Hamish Grubijan

你认为这是一个有效的用途吗：让你的程序崩溃，执行任意代码并接管你的系统？ :) - Paul Williams

一些嵌入式设备将中断等信息存储在地址0处。您是否考虑过使用嵌入式设备？ - Anycorn

值得注意的是，PlayStation 1和PlayStation 2都非常乐意让您获取地址0处的值。没有人是故意这样做的，因为那里是控制台内核的位置。然而，如果某些代码意外地依赖于访问“空”指针时不崩溃，那么将其移植到其他系统就不太有趣了。 - Jim Buck

@JimBuck，谢谢你分享这个有趣的轶事！ - Marc Claesen

Answer 1

无论是在 C 还是 C++ 中，空指针值都不与物理地址“0”有任何关联。在源代码中使用常量“0”将指针设置为空指针值仅仅是语法上的一种简化方式。编译器需要将其转换为在特定平台上用作空指针值的实际物理地址。

换言之，在源代码中，“0”没有任何物理重要性。例如，它可以是“42”或“13”。也就是说，如果语言的作者愿意，他们可以使您必须执行“p = 42”才能将指针“p”设置为null-pointer值。同样，这并不意味着物理地址“42”必须用于保留空指针。编译器需要将源代码“p = 42”转换为将实际物理空指针值（“0x0000”或“0xBAAD”）塞入指针“p”的机器码。现在使用常量“0”就是这样做的。

此外，请注意，C 或 C++ 都没有提供严格定义的功能，允许将特定的物理地址分配给指针。因此，你关于“如何将0地址分配给指针”的问题在形式上没有答案。在 C/C++ 中，您无法将指针分配给特定地址。但是，在实现定义的特性领域，显式的整数到指针转换旨在具有该效果。因此，您可以按如下方式执行此操作：

uintptr_t address = 0;
void *p = (void *) address;

请注意，这与执行以下操作不同：

void *p = 0;

后者总是产生空指针值，而前者在一般情况下则不会。前者通常会产生一个指向物理地址0的指针，这个地址可能或可能不是给定平台上的空指针值。

- AnT stands with Russia

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很棒的答案。我希望我能给这个答案点赞两次。 - Destructor

谢谢。我有一些问题不理解你的回答 https://stackoverflow.com/questions/52207010/do-the-following-statements-assign-physical-address-to-a-pointer - Tim

在 C/C++ 中，你无法直接将一个指针赋值为一个特定的地址。但是 void *p = (void*)0x12345678 呢？至少在某些平台上（比如我使用的 ARM 微控制器），这会将一个绝对、物理内存地址赋给指针。这通常用于 SFR（特殊功能寄存器，即内存映射 I/O）。 - jacobq

@iX3：“在实现定义特性的领域中” - Tim Sparkles

@Timbo，糟糕，不知道我怎么错过了那个; 抱歉。 - jacobq

Answer 2

顺便提一下：你可能会感兴趣地知道，使用微软的C++编译器，在32位机器上，一个空指针成员将被表示为位模式0xFFFFFFFF。也就是说：

struct foo
{
      int field;
};

int foo::*pmember = 0;     // 'null' member pointer

pmember将具有位模式“全为1”。这是因为您需要此值来与其他空指针值区分开来。

int foo::*pmember = &foo::field;

因为我们希望指向结构体foo的偏移量为0，所以位模式确实将是“全零位模式”。

其他C++编译器可能会选择不同的空成员指针的位模式，但关键观察点在于它不会是你可能期望的全零位模式。

- John Källén

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有趣！+1 即使它与问题关系不大 :) - Logan Capaldo

等等，什么？ 当我开始将该指针分配给不同类型的指针（如果需要，使用(void *)进行转换），会发生什么？ 它会保持为全1还是会发生什么？ 这是否意味着所有空指针在MS C++中都是“-1”？ - Nas Banov

不允许将成员指针转换为“普通”指针。如果尝试这样做，MS C++会给出“无效类型转换”错误。此外，在MS C++中，只有空成员指针具有位模式“全1”，而指向对象的“普通”指针仍具有位模式“全0”。 - John Källén

G++ 也可以做到这一点。 - alecov

当然，这取决于微软不符合规范的“让我们使用最简单的成员指针，可能对这个特定类足够通用”的方式。尝试去实现完全的通用性，或者添加虚拟继承，你会看到更大的成员指针。 - Deduplicator

Answer 3

你的前提是错误的。当你将一个值为0的整数常量分配给一个指针时，它就变成了一个空指针常量。然而，这并不意味着一个空指针一定指向地址0。相反，C和C++标准都非常明确地说明，空指针可能指向除零以外的某个地址。

实际上，你需要设置一个空指针所指向的地址，但这个地址可以是任何你选择的地址。当你把0转换成一个指针时，它必须指向你选择的那个地址——但这才是真正所需的。例如，如果你决定将整数转换为指针意味着将0x8000加到整数上，那么空指针实际上将指向地址0x8000而不是地址0。

值得注意的是，对空指针进行间接引用会导致未定义行为。这意味着你不能在可移植的代码中这样做，但这并不意味着你根本无法这样做。当你编写针对小型微控制器等设备的代码时，通常会包含一些不可移植的代码片段。从某个地址读取可能会给你一些传感器的值，而写入同一地址可能会激活一个步进电机（仅仅是一个例子）。下一个设备（即使使用完全相同的处理器）可能会连接到普通RAM而不是这些地址。

即使空指针确实指向地址0，这也不能阻止你使用它来读取和/或写入该地址上的任何内容——只是不能以便于移植的方式这样做——但这并不是很重要。如果地址0被解码为连接到其他不同于普通存储的东西，那么你可能无法完全地可移植地使用它。

- Jerry Coffin

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他的前提是正确的。他想知道：如何访问内存地址0，因为（void*）0是特殊的？ - Daniel Stutzbach

@Daniel：(void *) 0是特殊的。int x = 0; (void *) x不是特殊的。它肯定不是可移植的，但这不是需要访问特定内存位置的人们所担心的问题。 - David Thornley

@PravasiMeet：虽然没有直接说明，但§4.10和§4.11讨论了将空指针常量存储到指针中涉及转换的事实，并非常小心地不说结果指针的所有位都设置为0。 - Jerry Coffin

@JerryCoffin：发生了哪种类型的转换，为什么需要它？ - Destructor

@PravasiMeet：在§4.10和§4.11中讨论的种类，是基于§4.10和§4.11中所述原因而进行的讨论。 - Jerry Coffin

Answer 4

编译器会为你处理这个问题（comp.lang.c FAQ）：

如果一台机器在空指针中使用非零比特模式，则当程序员请求通过写入“0”或“NULL”来创建一个空指针时，编译器将生成该模式。因此，在内部空指针为非零的机器上将NULL定义为0与在其他任何机器上定义一样有效，因为编译器必须（并且可以）仍然针对指针上下文中看到的未装饰的0来生成机器的正确空指针。

您可以通过从非指针上下文中引用零来访问地址零。

- WhirlWind

Answer 5

实际上，C编译器会让你的程序尝试写入地址0。在运行时检查每个指针操作是否为NULL指针将会非常昂贵。在计算机上，程序将崩溃，因为操作系统禁止这样做。在没有内存保护的嵌入式系统中，程序确实会写入地址0，这通常会导致整个系统崩溃。

地址0可能在嵌入式系统中很有用（一般是指不在计算机中的CPU；它们可运行从音响到数码相机的所有东西）。通常，这些系统被设计成不需要写入地址0。在我所知道的每种情况下，它都是某种特殊地址。即使程序员需要写入它（例如设置中断表），他们也只需要在初始引导序列期间写入它（通常是一小段汇编语言来设置C环境）。

- Daniel Stutzbach

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例如，在ARM体系结构中，地址0是复位向量。如果覆盖了那里的内容（应该是跳转到真正的复位代码），则会破坏软复位的功能。（但是，地址0通常映射到闪存，不太容易被覆盖。） - crazyscot

实际上，C编译器会让你的程序尝试写入地址0。我不认为这还准确。编译器将看到对地址0的天真尝试并优化UB，例如捕获，有关更多详细信息，请参见我的答案。 - Shafik Yaghmour

Answer 6

内存地址0也被称为零页面。这是由BIOS填充的，包含关于系统上运行的硬件的信息。所有现代内核都保护该内存区域。您不应该需要访问此内存，但如果您想要访问，则需要从内核空间内进行访问，一个内核模块就可以解决问题。

- rook

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对于x86计算机来说，这是正确的，但对于嵌入式系统则不然。 - Daniel Stutzbach

不能保证内存是否在页面中，也不能保证有内核。 - WhirlWind

@Daniel 这对于运行现代操作系统的x86计算机是正确的。也有嵌入式x86系统。 - Earlz

实际上，在x86架构中，您可以将（虚拟）零页面映射到用户模式下的任何位置，这取决于内核是否限制它。我猜测有一些操作系统允许这样做，Linux内核允许您选择进程可以使用的最低可用虚拟地址。 - L̲̳o̲̳̳n̲̳̳g̲̳̳p̲̳o̲̳̳k̲̳̳e̲̳̳

Answer 7

在x86架构中，实模式下地址0（或者准确来说是0000:0000）及其附近是中断向量的位置。在早期，你通常会向中断向量写入值以安装中断处理程序（或者如果你更加遵循纪律，使用MS-DOS服务0x25）。为MS-DOS编译的C语言定义了一个far指针类型，当分配NULL或0时，其段部分和偏移部分都将接收到0000的位模式。

当然，一个行为不端的程序意外地写入了值为0000:0000的far指针，会在机器上引起非常严重的问题，通常会锁定它并强制重新启动。

- John Källén

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实际上，在x86中写入0不会立即造成任何坏影响。0是用于除零异常的中断向量，而这种情况很少被触发。 - Earlz

据我所记，在Motorola 68K系列中，0是起始地址-启动时要执行的第一条指令从地址0处加载。虽然已经过了几年，所以我可能错了，但我对此有90%的信心，尽管我没有我的参考资料方便确认。 - Nathan Ernst

8080（因此Z80）在上电时从地址0开始执行，因此您的ROM通常会基于那里。通常不需要指向0000的指针。在我的TRS-80上尝试写入将没有任何效果。 - John Källén

Answer 8

在这个链接的问题中，人们正在讨论在微控制器中设置固定地址。当您编程微控制器时，所有内容都处于更低级别。

与桌面/服务器PC相比，您甚至没有操作系统，也没有虚拟内存等等。因此，在特定地址访问内存是可以接受甚至必要的。但在现代桌面/服务器PC上，则是无用且甚至危险的。

- Andrey

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在微控制器中，地址0通常是程序入口点。因此，可以通过跳转到地址0来重置程序。 - Ponkadoodle

Answer 9

我使用gcc为没有MMU且0是完全有效地址的Motorola HC11编译了一些代码，但令人失望的是，发现要写入地址0，只需直接写入即可。在此架构上，NULL和地址0之间没有区别，这点我可以理解。因为在每个内存位置都可能有效的架构上，不可能定义一个唯一的NULL，所以我猜测gcc的作者们认为0足以作为NULL，无论它是否是有效地址。

      char *null = 0;
; Clears 8-bit AR and BR and stores it as a 16-bit pointer on the stack.
; The stack pointer, ironically, is stored at address 0.
1b:   4f              clra
1c:   5f              clrb
1d:   de 00           ldx     *0 <main>
1f:   ed 05           std     5,x

当我将其与另一个指针进行比较时，编译器会生成常规比较。这意味着它根本不认为char *null = 0是一个特殊的NULL指针，事实上，地址为0的指针和“NULL”指针是相等的。

; addr is a pointer stored at 7,x (offset of 7 from the address in XR) and 
; the "NULL" pointer is at 5,y (offset of 5 from the address in YR).  It doesn't
; treat the so-called NULL pointer as a special pointer, which is not standards
; compliant as far as I know.
37:   de 00           ldx     *0 <main>
39:   ec 07           ldd     7,x
3b:   18 de 00        ldy     *0 <main>
3e:   cd a3 05        cpd     5,y
41:   26 10           bne     53 <.LM7>

所以为了回答原始问题，我猜我的答案是要检查你的编译器实现，并找出它们是否费心去实现唯一值 NULL。如果没有，你就不必担心它。;)

(当然这个答案不符合标准。)

- indiv

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0 是 NULL 的独特值。它恰好是系统允许你写入的一个值。在其他系统上，它不是这样，所以会导致段错误。在其他系统上，你可以写入它，但你可能不应该这样做，因此会发生一些其他模糊的结果 [我想 HC11 就属于此类; 地址 0 是特殊的，但我不记得它代表什么]。所有三种行为都符合标准，只要标准未定义行为。至少在 C++ 中是这样，我认为 C 也是一样。 - Dennis Zickefoose

@Dennis Zickefoose：在标准兼容性方面，我指的是标准中提到保证NULL指针不会指向任何对象的部分，这意味着将任何其他指针与NULL进行比较将返回false。在HC11上，地址0只是普通的RAM，没有什么特别之处，你应该使用地址0来存储一些东西，因为你可以使用直接寻址来访问从0到255字节的RAM，从而得到更小的指令和更快的访问速度。 - indiv

如果编译器小心地不在那个地址分配对象，那么它就保证永远不会指向对象。这是其他平台的工作方式。空指针与其他指针一样处理，编译器只知道不让对象存在那里。 - Dennis Zickefoose

Answer 10

记住，在所有正常情况下，您实际上看不到特定的地址。 当您分配内存时，操作系统会向您提供该内存块的地址。

当您获取变量的引用时，变量已经在由系统确定的地址上分配。

因此，访问地址零并不是真正的问题，因为当您跟随指针时，您不关心它指向哪个地址，只要它是有效的：

int* i = new int(); // suppose this returns a pointer to address zero
*i = 42; // now we're accessing address zero, writing the value 42 to it

所以，如果你需要访问地址零，通常情况下它会正常工作。

0 == null 这个问题只有在某些情况下才会成为问题，比如你正在直接访问物理内存。也许你正在编写操作系统内核或类似的东西。在这种情况下，你将要写入特定的内存地址（尤其是那些映射到硬件寄存器的地址），因此你可能需要写入地址零。但是这时你真的绕过了 C++，依赖于你的编译器和硬件平台的具体实现。

当然，如果你需要写入地址零，这是可能的。只有常量 0 表示空指针。非常量整数值零不会产生空指针，如果被分配给一个指针。

所以你可以简单地这样做：

int i = 0;
int* zeroaddr = (int*)i;

现在，zeroaddr将指向地址零（*），但严格来说它不是一个空指针，因为零值不是常量。

（*）：这并非完全正确。C++标准仅保证整数和地址之间存在“实现定义的映射”。它可以将0转换为地址0x1633de20或任何其他地址。但通常映射是直观和明显的，其中整数0被映射到地址零）

- jalf