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浏览器安全演进：从裸指针到 raw_ptr 的实践与思考

news 2025/7/31 0:59:41

一、引言

随着浏览器代码体量不断膨胀，内存安全问题也愈加突出。Chromium 团队长期在探索如何减少 Use-After-Free（UAF）等漏洞的发生。近年来引入的 raw_ptr<T> 类型就是其中一项关键成果。

它不是简单的 T* 替代，而是通过封装指针访问与内存元数据，增加运行时检测能力，有效缓解 UAF 风险。

本文将深入剖析 raw_ptr 的底层机制，阐明其与传统裸指针及 base::WeakPtr 的异同，并结合实际应用场景讨论如何合理选用。

二、什么是 raw_ptr？

1. 定义和用途

raw_ptr<T> 是 Chromium 项目中为提升内存安全引入的智能指针封装。它替代原本易出错的裸指针 T*，在不改变访问语义的前提下，实现UAF 检测与缓解机制。

示例：raw_ptr<Foo> foo_;

它可像普通指针一样使用，但其背后可能引入一层指针验证或标记机制。

三、底层实现机制解析

raw_ptr 的底层实现因平台不同（Windows / Linux / Android）而异，核心目标是检测并阻止 UAF 攻击。下面介绍几种常见机制。

1. BackupRefPtr（引用计数后备机制）

这种机制在 Windows / Android 上启用较多，它的关键思想是为目标对象维护一个隐藏的引用计数，当 raw_ptr 指向该对象时自动增加引用计数。

当对象被释放时，如果引用计数不为 0，则表示有悬空指针指向它，此时系统可记录或终止运行，避免利用。
释放 raw_ptr 时自动减引用计数。

核心结构：

template <typename T> class raw_ptr { public: T* get() const; T& operator*() const; T* operator->() const; ... private: T* ptr_; BackupRefPtrImpl* ref_; };

优点： 高安全性，对 UAF 有较强防御
缺点： 有一定性能开销和额外内存占用

2. DanglingPtrDetector（悬空检测器）

这是另一种策略，利用页保护、地址标记或分配表检测指针是否悬空，一般用于调试或特定 build mode。

四、与 base::WeakPtr 的对比

很多人会将 raw_ptr 与 base::WeakPtr 混淆，但二者设计目标、使用场景、性能开销有明显区别：

对比项	`raw_ptr<T>`	`base::WeakPtr<T>`
目的	保护裸指针，防 UAF	弱引用，避免循环引用或悬空访问
检测机制	引用计数/元数据检测	控制对象销毁时自动失效
访问代价	极低（略高于裸指针）	稍高（含弱引用验证逻辑）
是否线程安全	否（默认）	否（但与 `WeakPtrFactory` 配合使用可局部安全）
应用场景	内部成员指针、缓存等	异步回调、延迟任务场景

结论：

WeakPtr 更适用于异步生命周期管理，如 PostTask 后访问对象；
raw_ptr 更适用于普通成员变量替换裸指针，确保不会 UAF；
二者可组合使用（如成员变量用 raw_ptr，外部访问用 WeakPtr）。

五、raw_ptr 替换路径与迁移实践

Chromium 团队正逐步用 raw_ptr 替换裸指针，提升全局安全性。主要路径如下：

//base：基础组件替换，确保新工具链适配
//chrome/browser：常见浏览器对象成员替换
自动化工具 raw_ptr_annotator.py 可辅助迁移

你可以从项目中查找变更日志或使用：

git log -S raw_ptr -- chromium/src/

六、性能与代价考量

虽然 raw_ptr 带来额外的引用计数或元数据管理，其在 Chromium 的大规模测试中证明性能开销可控在 1~2% 范围。

若项目场景对内存安全有要求（比如浏览器、沙箱、后端服务），推荐广泛使用；如追求极致性能或控制内存池管理，则需结合场景评估。

七、总结与建议

raw_ptr<T> 是 Chromium 在内存安全领域的重要探索，它在保持指针语义不变的前提下引入运行时检测机制，为系统性解决 UAF 问题提供了新方向。

使用建议
✔ 成员变量建议用 raw_ptr 替代裸指针
✔ 异步回调使用 WeakPtr 管理生命周期
❌ 不建议在性能极限路径频繁使用 raw_ptr
❌ 不推荐 raw_ptr 与裸指针混用