Не уважаю инкапсуляцию, или использование таблицы методов другого типа для быстрого вызова приватных методов

Всем привет. Хотелось бы поделиться примером использования StructLayout для чего-то более интересного, чем примеры с байтами, интами и прочими цифрами, в которых все происходит чуть более, чем ожидаемо.

Прежде, чем приступить к молниеносному нарушению инкапсуляции, стоит в двух словах напомнить, что такое StructLayout. Строго говоря, это даже StructLayoutAttribute, то бишь атрибут, который позволяет создавать структуры и классы, подобные union в С++. Если говорить еще более подробно, то данный атрибут позволяет взять управление размещением членов класса в памяти на себя. Соответсвенно, ставится он над классом. Обычно, если класс имеет 2 поля, мы ожидаем, что они будут располагаться последовательно, то бишь будут независимы друг от друга (не перекрывать). Однако, StructLayout дает возможность указать, что расположение полей будет задавать не среда, а пользователь. Для явного указания смещения полей следует использовать параметр LayoutKind.Explicit. Для указания, по какому смещению относительно начала класса/структуры (в дальнейшем класса) мы хотим разместить поле, над ним следует поставить атрибут FieldOffset, который принимает в качестве параметра количесво байт — отступ от начала класса. Отрицательное значение передать не получится, так что о том, чтобы испортить указатели на таблицу методов или индекс блока синхронизации, даже и не думайте, все будет немного сложнее.

Приступим к написанию кода. Для начала предлагаю начать с простого примера. Создадим класс следующего вида:

    public class CustomClass
    {
        public override string ToString()
        {
            return "CUSTOM";
        }

        public virtual object Field { get; } = new object();
    }

Далее используем вышеописанный механизм явного задания смещений полей.

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
    public class CustomStructWithLayout
    {
        [FieldOffset(0)]
        public string Str;

        [FieldOffset(0)]
        public CustomClass SomeInstance;
    }

Пока отложу объяснения и воспользуюсь написанным классом следующим образом:

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            CustomStructWithLayout instance = new CustomStructWithLayout();
            instance.SomeInstance = new CustomClass();
            instance.Str = "4564";
            Console.WriteLine(instance.SomeInstance.GetType()); //System.String
            Console.WriteLine(instance.SomeInstance.ToString()); //4564
            Console.Read();
        }
    }

Итого. Вызов метода GetType() выдает string, метод ToString() шалит и дает нам строку «4564».
Разрядка для мозгов: Что будет выведено при вызове виртуального свойства CustomClass?

Как вы уже догадались, мы проинициализировали CustomStructWithLayout, обе ссылки равны null, далее инициализируем поле нашего типа, а после присваиваем строку полю Str. В итоге от CustomClass остается чуть больше, чем ничего. Поверх его была записана строка со всей ее внутренней структурой, включая таблицу методов и индекс блока синхронизации. Но компилятор видит поле все еще типа нашего класса.
Для доказательсва приведу небольшую вырезку из WinDbg:

Здесь можно увидеть несколько необычных вещей. Первая — в объекте адреса на таблицы методов у полей класса разные, что и ожидаемо, но адрес значения поля один. Вторая — можно увидеть, что оба поля расположены по смещению 4. Думаю, большинсво поймет, но на всякий случай поясню, непосредсвенно по адресу объекта располагается ссылка на таблицу методов. Поля начинаются со смещением 4 байта (длz 32 бит), а индекс блока синхронизации расположен со смещением -4.

Теперь, когда разобрались, что происходит, можно попробовать использовать смещения для вызова того, что вызывать не следовало бы.
Для этого я повторил структуру класса string в одном из своих классов. Правда повторил я лишь начало, поскольку класс string весьма объемный.

    public class CustomClassLikeString
    {
        public const int FakeAlignConst = 3;
        public const int FakeCharPtrAlignConst = 3;
        public static readonly object FakeStringEmpty;
        public char FakeFirstChar;
        public int FakeLength = 3;
        public const int FakeTrimBoth = 3;
        public const int FakeTrimHead = 3;
        public const int FakeTrimTail = 3;

        public CustomClassLikeString(){}
        public CustomClassLikeString(int a){}
        public CustomClassLikeString(byte a){}
        public CustomClassLikeString(short a){}
        public CustomClassLikeString(string a){}
        public CustomClassLikeString(uint a){}
        public CustomClassLikeString(ushort a){}
        public CustomClassLikeString(long a){ }

        public void Stub1(){}
        public virtual int CompareTo(object value)
        {
            return 800;
        }
        public virtual int CompareTo(string value)
        {
            return 801;
        }
    }

Ну и немного меняется структура с Layout

    [StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
    public class CustomStructWithLayout
    {
        [FieldOffset(0)]
        public string Str;

        [FieldOffset(0)]
        public CustomClassLikeString SomeInstance;
    }

Далее, при вызове FakeLength или метода CompareTo() благодаря идентичным смещением этих членов класса относительно адреса самого объекта будет вызван соответсвующий метод строки (в данном случае). Добираться до первого приватного метода в строке, который я могу использовать, было довольно долго, поэтому я остановился на публичном. Но поле приватное, все честно. Кстати, методы сделаны виртуальными для защиты от всяких оптимизаций, мешающий работе (например, встраивания), а также для того, чтоб метод вызывался по смещению в таблице методов.

Итак, производительность. Исное дело, что прямой конкурент в вызове того, что вызвать не надо и в нарушении инкапсуляции — рефлексия. Я думаю, что и так понятно, что мы быстрее этой вещи, все ж мы не анализируем метаданные. Точные значения:

Здесь длинный кусок кода с тем, как я измерял производительность (Если кому-то оно надо):

    [ClrJob]
    [RPlotExporter, RankColumn]
    [InProcessAttribute]
    public class Benchmarking
    {
        private CustomStructWithLayout instance;
        private string str;
        [GlobalSetup]
        public void Setup()
        {
            instance = new CustomStructWithLayout();
            instance.SomeInstance = new CustomClassLikeString();
            instance.Str = "4564";
            str = "4564";
        }

        [Benchmark]
        public int StructLayoutField()
        {
            return instance.SomeInstance.FakeLength;
        }

        [Benchmark]
        public int ReflectionField()
        {
            return (int)typeof(string).GetField("m_stringLength", BindingFlags.Instance | BindingFlags.NonPublic).GetValue(str);
        }

        [Benchmark]
        public int StructLayoutMethod()
        {
            return instance.SomeInstance.CompareTo("4564");
        }

        [Benchmark]
        public int ReflectionMethod()
        {
            return (int)typeof(string).GetMethod("CompareTo", new[] { typeof(string) }).Invoke(str, new[] { "4564" });
        }
    }

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Benchmarking>();
        }
    }

Автор: ZloyChert

Источник