涉及 const_cast 的意外行為

Question

我想出了下面的例子，它暴露了一些意想不到的行為。 我希望在 push_back 之后，向量中的任何內容都在那里。 看起來編譯器以某種方式決定重用 str 使用的內存。

有人能解釋一下這個例子中發生了什么嗎？ 這是有效的 C++ 代碼嗎？

最初的問題來自負責序列化/反序列化消息的代碼，它使用 const_cast 來刪除常量。 在注意到該代碼的一些意外行為后，我創建了這個簡化的示例，它試圖演示該問題。

#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
    auto str = std::string("XYZ"); // mutable string
    const auto& cstr(str);         // const ref to it

    vector<string> v;
    v.push_back(cstr);

    cout << v.front() << endl;  // XYZ is printed as expected

    *const_cast<char*>(&cstr[0])='*'; // this will modify the first element in the VECTOR (is this expected?)
    str[1]='#';  //

    cout << str << endl;  // prints *#Z as expected
    cout << cstr << endl; // prints *#Z as expected
    cout << v.front() << endl; // Why *YZ is printed, not XYZ and not *#Z ?

    return 0;
}

Answer 1

理解錯誤

意外行為的發生是由於std::string的折舊實現中的怪癖。 舊版本的 GCC 使用寫時復制語義實現了std::string 。 這是一個聰明的主意，但它會導致像您看到的那樣的錯誤。 這意味着 GCC 試圖定義std::string以便只有在修改新的std::string時才會復制內部字符串緩沖區。 例如：

std::string A = "Hello, world";
std::string B = A; // No copy occurs (yet)
A[3] = '*'; // Copy occurs now because A got modified.

但是，當您使用常量指針時，不會發生復制，因為庫假定不會通過該指針修改字符串：

std::string A = "Hello, world"; 
std::string B = A;
std::string const& A_ref = A;

const_cast<char&>(A_ref[3]) = '*'; // No copy occurs (your bug)

正如您所注意到的，寫時復制語義往往會導致錯誤。 正因為如此，並且因為復制字符串非常便宜（考慮到所有因素）， std::string copy-on-write實現在 GCC 5 中被貶值和刪除。

那么，如果您使用 GCC 5，為什么會看到此錯誤？ 您可能正在編譯和鏈接舊版本的 C++ 標准庫（寫時復制仍然是std::string的實現）。 這就是導致您出現錯誤的原因。

檢查您正在編譯的 C++ 標准庫版本，如果可能，更新您的編譯器。

我如何知道我的編譯器正在使用std::string哪種實現？

• 新的 GCC 實現： sizeof(std::string) == 32 （編譯 64 位時）
• 舊的 GCC 實現： sizeof(std::string) == 8 （編譯為 64 位時）

如果您的編譯器使用std::string的舊實現，則sizeof(std::string)與sizeof(char*)相同，因為std::string實現為指向內存塊的指針。 內存塊是實際包含字符串大小和容量等內容的內存塊。

struct string { //Old data layout
    size_t* _data; 
    size_t size() const {
        return *(data - SIZE_OFFSET); 
    }
    size_t capacity() const {
        return *(data - CAPACITY_OFFSET); 
    }
    char const* data() const {
        return (char const*)_data; 
    }
};

另一方面，如果您使用的是std::string的較新實現，則sizeof(std::string)應該是 32 字節（在 64 位系統上）。 這是因為較新的實現將字符串的大小和容量存儲在std::string本身中，而不是它指向的數據中：

struct string { // New data layout
    char* _data;
    size_t _size;
    size_t _capacity; 
    size_t _padding; 
    // ...
}; 

新的實施有什么好處？ 新的實現有很多好處：

• 可以更快地訪問大小和容量（因為優化器更有可能將它們存儲在寄存器中，或者至少它們很可能在緩存中）
• 因為std::string是 32 字節，我們可以利用小字符串優化。 Small String Optimization 允許長度小於 16 個字符的字符串存儲在_capacity和_padding通常占用的空間內。 這避免了堆分配，並且在大多數用例中速度更快。

我們可以在下面看到 GDB 使用std::string的舊實現，因為sizeof(std::string)返回 8 個字節：