如何安全地將 std::array 歸零？

Question

我正在嘗試將 class 析構函數中的std::array安全歸零。 從safe開始，我的意思是我想確保編譯器永遠不會優化這個歸零。 這是我帶來的：

template<size_t SZ>
struct Buf {
    ~Buf() {
        auto ptr = static_cast<volatile uint8_t*>(buf_.data());
        std::fill(ptr, ptr + buf_.size(), 0);
    }

    std::array<uint8_t, SZ> buf_{};
};

此代碼是否按預期工作？ 在任何情況下，該volatile關鍵字都會阻止編譯器進行優化嗎？

Answer 1

C++ 標准本身並沒有做出明確的保證。 它說：

通過 volatile 泛左值訪問的語義是實現定義的。 ...

[注 5： volatile 是對實現的提示，以避免涉及 object 的激進優化，因為 object 的值可能會通過實現無法檢測到的方式進行更改。 此外，對於某些實現，易失性可能表明需要特殊的硬件指令才能訪問 object。 有關詳細語義，請參見 [intro.execution]。 通常，在 C++ 中，volatile 的語義與在 C 中的語義相同。 ——尾注]

Despite the lack of guarantees by the C++ standard, over-writing the memory through a pointer to volatile is one way that some crypto libraries clear memory - at least as a fallback when system specific function isn't available.

PS我建議改用const_cast ，以避免意外轉換為不同的類型，而不是不同的限定相同類型：

auto ptr = const_cast<volatile std::uint8_t*>(buf_.data());

隱式轉換也有效：

volatile std::uint8_t* ptr = buf_.data();

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用於此目的的系統特定函數是SecureZeroMemory中的 SecureZeroMemory 和一些 BSD 和 glibc 中的explicit_bzero _bzero。

C11 標准有一個可選的 function memset_s用於此目的，它也可能在 C++ 中可供您使用，但當然不能保證可用。

有一個提案P1315將類似的 function 引入 C++ 標准。

Answer 2

一種選擇是使用std::atomic_ref進行寬松的原子存儲，編譯器無法省略。 C++20 示例：

#include <cstdint>
#include <atomic>
#include <array>

template<class Array>
void clear(Array& a) {
    for(auto& e : a) 
        std::atomic_ref{e}.store(0, std::memory_order_relaxed);
}

void f(std::array<uint32_t, 32>& a) {
    clear(a);
}