3

Explicación.

Dispongo de una lista de objetos que encapsulan un puntero a función (PaF). Todas las funciones tienen el mismo retorno (void) pero parámetros arbitrarios, por ello el objeto que encapsula el PaF tiene una clase base común:

// Clase base...
struct comodin{};

template <typename ... PARAMETROS>
struct callback : public comodin
{
    // Atajo al tipo de la funcion encapsulada.
    using funcion_t = void(*)(PARAMETROS ...);
    // Constructor.
    callback(funcion_t pf) : puntero{pf} {}
    // Operador de llamada.
    void operator()(PARAMETROS ...parametros) { return puntero(parametros ...); }

private:
    // Funcion encapsulada.
    funcion_t puntero;
};

Dado que el objeto callback hereda de comodin, puedo almacenar diferentes callback en un mismo contenedor siempre y cuando sea mediante un puntero a comodin:

using lista_callbacks = std::list<comodin *>;

Y así, crear una colección de objetos callback que encapsulen funciones con parametros arbitrarios1:

void v() { std::cout << "v" << '\n'; };
void vi(int a) { std::cout << "vi" << a << '\n'; };
void vii(int a, int b) { std::cout << "vii" << a << b << '\n'; };
void viii(int a, int b, int c) { std::cout << "viii" << a << b << c << '\n'; };
void viiii(int a, int b, int c, int d) { std::cout << "viiii" << a << b << c << d << '\n'; };
void x(int,char,float,double,long,short) { std::cout << "x" << '\n'; }

using lista_callbacks = std::list<comodin *>;

lista_callbacks callbacks
{
    new callback(v),
    new callback(vi),
    new callback(vii),
    new callback(viii),
    new callback(viiii),
    new callback(x)
};

Tengo una función que se encarga de enviar parámetros a la colección de callbacks:

template <typename ... PARAMETROS>
void envia_parametros(PARAMETROS ... parametros)
{
    // Atajo al tipo de la callback
    using callback_t = callback<PARAMETROS ...>;

    // Recorremos todas las callbacks...
    for (const auto &callback : callbacks)
    {
        /* Convierte cada callback al tipo que coincide con
        los parametros facilitados */
        callback_t &objeto = *static_cast<callback_t *>(callback);
        /* Llama a la funcion encapsulada en la callback
        con los parametros facilitados */
        objeto(parametros ...);
    }
}

He observado que puedo invocar el operador de llamada (operator ()) de callback con colecciones de parámetros incorrectos sin que el compilador se queje de ello ni provocando ningún fallo en tiempo de ejecución:

envia_parametros(1, 2, 3, 4, 5);

La instrucción anterior muestra:

v
vi1
vii12
viii123
viiii1234
x

Puede verse el [código funcionando aquí].

Funciona pero ¿a qué precio?.

Ningún objeto callback coincide con la firma usada en envia_parametros aún así las llamadas se han hecho sin mostrar ningún comportamiento erróneo, yo al menos esperaba una violación de segmento, corrupción de memoria o desbordamiento pero nada de eso ha sucedido. La conversión de tipos de callback tampoco ha fallado en ningún caso dentro de envia_parametros pese a que sí que falla en otros contextos:

callback<> cv(v);
// Error, callback<int> no es convertible a callback<int,int,int,int,int>
auto cast = static_cast<callback<int,int,int,int,int>>(cv);
void(*PaF)() = v;
// Error, PaF void() no es convertible a PaF void(int,int,int,int,int)
static_cast<void(*)(int,int,int,int,int)>(v)(1, 2, 3, 4, 5);
// Error, no se puede llamar a la funcion apuntada con esos parametros
PaF(1, 2, 3, 4, 5);
v(1, 2, 3, 4, 5);     // Demasiados parametros
vi(1, 2, 3, 4, 5);    // Demasiados parametros
vii(1, 2, 3, 4, 5);   // Demasiados parametros
viii(1, 2, 3, 4, 5);  // Demasiados parametros
viiii(1, 2, 3, 4, 5); // Demasiados parametros
x(1, 2, 3, 4, 5);     // Pocos parametros

Sospecho que el código hace uso de comportamiento indefinido pero no encuentro en qué parte del estándar de C++ se indica este tipo de conversiones o llamadas que en el contexto de una funcion plantilla variádica son correctas y fuera de ese contexto no lo son.

Pregunta.

Las llamadas que estoy haciendo a las funciones a través del PaF encapsulado en el objeto callback ¿Son seguras? (¿Pueden provocar algún fallo en tiempo de ejecución?, Los objetos innecesarios en la llamada a función ¿pueden corromper la pila?).

.


1Mi caso de uso es diferente: clasifico los callback en un mapa según la firma de la función que encapsulan (para evitar llamar PaF con parámetros inadecuados), pero este es un ejemplo simplificado.

1 respuesta 1

1

Tiene toda la pinta de ser algo dependiente del compilador. Para verlo vamos a partir de un ejemplo un poco más simplificado:

// Clase base...
struct comodin{};

template <typename ... PARAMETROS>
struct callback : public comodin
{
    // Atajo al tipo de la funcion encapsulada.
    using funcion_t = void(*)(PARAMETROS ...);
    // Constructor.
    callback(funcion_t pf) : puntero{pf} {}
    // Operador de llamada.
    void operator()(PARAMETROS ...parametros) { return puntero(parametros ...); }

private:
    // Funcion encapsulada.
    funcion_t puntero;
};

void v(){ std::cout << '\n'; }
void vi(int a){ std::cout << a << '\n'; }
void vii(int a, int b){ std::cout << a << b << '\n'; }

using lista_callbacks = std::list<comodin *>;

lista_callbacks callbacks
{
    new callback(v),
    new callback(vi),
    new callback(vii)
};

template <typename ... PARAMETROS>
void envia_parametros(PARAMETROS ... parametros)
{
    // Atajo al tipo de la callback
    using callback_t = callback<PARAMETROS ...>;

    // Recorremos todas las callbacks...
    for (const auto &callback : callbacks)
    {
        /* Convierte cada callback al tipo que coincide con
        los parametros facilitados */
        callback_t &objeto = *static_cast<callback_t *>(callback);
        /* Llama a la funcion encapsulada en la callback
        con los parametros facilitados */
        objeto(parametros ...);
    }
}

int main()
{
  envia_parametros(1, 2, 3, 4, 5);
}

Si ahora compilamos con, por ejemplo, clang 3.9.1, obtenemos los siguientes fragmentos en ensamblador:

v():                                  # @v()
    push    rax
    mov     byte ptr [rsp + 7], 10
    lea     rsi, [rsp + 7]
    mov     edi, std::cout
    mov     edx, 1
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
    pop     rax
    ret

vi(int):                                 # @vi(int)
    push    rax
    mov     eax, edi
    mov     edi, std::cout
    mov     esi, eax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
    mov     byte ptr [rsp + 7], 10
    lea     rsi, [rsp + 7]
    mov     edx, 1
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
    pop     rax
    ret

vii(int, int):                               # @vii(int, int)
    push    rbx
    sub     rsp, 16
    mov     ebx, esi
    mov     eax, edi
    mov     edi, std::cout
    mov     esi, eax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
    mov     rdi, rax
    mov     esi, ebx
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
    mov     byte ptr [rsp + 15], 10
    lea     rsi, [rsp + 15]
    mov     edx, 1
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
    add     rsp, 16
    pop     rbx
    ret

Vale, ahí vemos que las funciones están evitando hacer uso de la pila para cargar los parámetros. Todos los parámetros se pasan vía registros. Seguimos:

.LBB4_2:                                # =>This Inner Loop Header: Depth=1
    mov     rax, qword ptr [rbx + 16]
    mov     edi, 1
    mov     esi, 2
    mov     edx, 3
    mov     ecx, 4
    mov     r8d, 5
    call    qword ptr [rax]
    mov     rbx, qword ptr [rbx]
    cmp     rbx, r14
    jne     .LBB4_2

Este es el bucle que envía los parámetros a cada función. Como vemos guarda cada parámetro en un registro diferente: edi, esi, edx, ecx y rd8.

Lo que sucede entonces es que si una función no necesita uno de los parámetros directamente no hace uso del registro correspondiente y listo. Problemas de ejecución en este caso: ninguno.

Ahora... ¿Qué sucede si seguimos jugando? Veamos un nuevo ejemplo. Ahora vamos a modificar ligeramente la función vii, dejando el resto del código intacto:

void vii(std::string a){ std::cout << a << '\n'; }

El nuevo código de vii, una vez compilado, se parece a esto:

vii(std::__cxx11::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >): # @vii(std::__cxx11::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >)
    push    rax
    mov     rsi, qword ptr [rdi]
    mov     rdx, qword ptr [rdi + 8]
    mov     edi, std::cout
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
    mov     byte ptr [rsp + 7], 10
    lea     rsi, [rsp + 7]
    mov     edx, 1
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
    add     rsp, 8
    ret

De aquí me gustaría destacar estas dos líneas:

mov     rsi, qword ptr [rdi]
mov     rdx, qword ptr [rdi + 8]

Ahora ya el código sí que empieza a comportarse de forma extraña. Lo que está sucediendo en esas dos líneas es que el programa intenta cargar en rdi y rdx lo que se supoen debería ser el puntero interno del string pero cosas de la vida ahí no hay ningún puntero válido.

Si seguimos con las pruebas podemos seguir aflorando problemas:

void vii(int,int,int,int,int,int a){ std::cout << a << '\n'; }

Ahora lo que debería suceder es que se mostrará un valor aleatorio. Lo comprobamos con el ensamblado:

vii(int, int, int, int, int, int):                           # @vii(int, int, int, int, int, int)
    push    rax
    mov     edi, std::cout
    mov     esi, r9d
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
    mov     byte ptr [rsp + 7], 10
    lea     rsi, [rsp + 7]
    mov     edx, 1
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
    pop     rax

Ahí está:

mov     esi, r9d

En ningún momento se ha almacenado nada en r9d, por lo que el valor que leamos no será más que basura.

¿Y qué sucede si se superan el número de registros?

void vii(int,int,int,int,int,int,int,int,int,int,int,int,int,int,int,int a){ std::cout << a << '\n'; }

En este caso encontramos el siguiente ensamblado:

vii(int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int):                 # @vii(int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int, int)
    push    rax
    mov     esi, dword ptr [rsp + 88]
    mov     edi, std::cout
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
    mov     byte ptr [rsp + 7], 10
    lea     rsi, [rsp + 7]
    mov     edx, 1
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
    pop     rax
    ret

Y destacamos la siguiente línea:

mov     esi, dword ptr [rsp + 88]

rsp es el registro que apunta a la pila del programa... ahí está aplicando un offset de 88 bytes para, supuestamente, leer el último parámetro. No hace falta decir que en dicha posición no va a encontrar el valor que espera. ¿Qué puede suceder aqui? A mi se me ocurren dos posibilidades:

  • Lee basura
  • Intenta leer fuera de la zona de memoria asignada al programa y el SO finaliza el proceso.

Conclusiones

Las llamadas que estoy haciendo a las funciones a través del PaF encapsulado en el objeto callback ¿Son seguras?

Mientras se use un número de argumentos de tal manera que todos se puedan almacenar en registros y que los tipos sean todos nativos, las llamadas serán relativamente seguras.

Ahora, en cuanto una función intente recibir una clase, un puntero o una referencia prepárate para lo peor.

¿Pueden provocar algún fallo en tiempo de ejecución?

Como vemos, es posible que sí, todo depende del contexto en el que se use y de lo que esperen recibir las funciones.

¿pueden corromper la pila?

Depende. Bajo implementaciones como la presentada, las funciones únicamente lanzan operaciones de lectura sobre la pila y no la modifican, por lo que no pueden corromper la pila. Sin embargo no hay que olvidar que algunos compiladores permiten jugar con la forma en que las funciones gestionan los argumentos (__fastcall, __stdcall, ...) y en estos casos podemos encontrarnos con que las funciones pasan a manipular la pila y eso sí que podría ser un problema.

Nota final:

Sí que sería interesante saber por qué el compilador traga con una conversión que no es legal hacerla de forma manual. Aun así yo siempre sugeriría hacer uso de dynamic_cast en el caso de polimorfismo. Su coste computacional es actualmente bastante bajo y proporciona la seguridad de que no se van a hacer conversiones no válidas. Para usar dynamic_cast correctamente habría que realizar los siguientes cambios:

struct comodin{
  virtual ~comodin() = default;
};

Para que vtable registre una clase como polimórfica (algo necesario para usar dynamic_cast) es necesario que la clase base tenga al menos un método virtual... y en estos casos lo más sencillo y recomendable es que declarar virtual el destructor.

Ahora tendríamos dos opciones, o declaramos el operador función como constante o realizamos un const_cast (más adelante lo explico). Mientras no haya razones para evitarlo prefiero optar por declarar la función como constante:

template <typename ... PARAMETROS>
struct callback : public comodin
{
    void operator()(PARAMETROS ...parametros) const { return puntero(parametros ...); }
};

Y ya solo falta meterle mano a la función envia_parametros. Para empezar ya no podemos usar objeto como una referencia sino que debemos declararlo como un puntero. Si lo mantenemos como referencia nos arriesgamos a un casque seguro cuando dynamic_cast nos devuelva un puntero nulo:

for (const auto &callback : callbacks)
{
    /* Convierte cada callback al tipo que coincide con
    los parametros facilitados */
    const callback_t *objeto = dynamic_cast<const callback_t*>(callback);

    /* Llama a la funcion encapsulada en la callback
    con los parametros facilitados */
    if( objeto )
     (*objeto)(parametros ...);
}

Si no hemos declarado el operador función como constante tendremos que usar un segundo cast para eliminar el modificador const del puntero y poder así llamar al operador función:

callback_t *objeto = dynamic_cast<callback_t*>(const_cast<comodin*>(callback));

Y ya podemos hacer una prueba tonta para ver que funciona:

int main() { envia_parametros(1); // vi1 envia_parametros(2,3); // vii23 }

8
  • ¿Qué diferencia tendríamos entre static_cast y dynamic_cast en este contexto? Cualquier conversión de la familia callback a comodin será siempre posible y en consecuencia cualquier conversión de callback de un tipo a otro lo será también ¿no?. el 15 feb. 2017 a las 11:45
  • dynamic_cast debería devolver un puntero nulo si los tipos no son compatibles. Este cast comprueba la vtable de cada objeto para conocer su jerarquía y si intentas hacer un cast no válido lo detecta y te devuelve un puntero nulo.
    – eferion
    el 15 feb. 2017 a las 11:45
  • Lo se, y a eso me refiero: cualquier convesión entre comodin y (virtualmente) cualquier instancia de la plantilla callback será siempre posible. el 15 feb. 2017 a las 11:46
  • @PaperBirdMaster Me has pillando editando el comentario anterior. échale un ojo
    – eferion
    el 15 feb. 2017 a las 11:47
  • 1
    @PaperBirdMaster dynamic_cast únicamente se puede usar con conversiones de punteros, ni referencias ni objetos por valor. Y devolverá un puntero nulo si los tipos no están relacionados mediante herencia para la instancia actual
    – eferion
    el 15 feb. 2017 a las 11:49

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