const_cast 引发只读数据区域写违例

Question

对于 C++这种强类型的语言，明确的类型既带来了执行的高效，又让错误的发生提前到编译期。所以像 const 这类体现设计者意图的关键字，可以隐性的透露给我们它描述的对象的使用边界。它是我们的朋友，我们要学会和它相处，而不是改变它。

我们来看一个试图改变这个好朋友的案例

class Base {
public:
    Base() : _name("Base") {
    }
const char* get_name() const {
    return _name;
}
private:
const char _name[32];
};

Base 类有个 get_name 方法返回了一个 const char*。它返回的是该类的成员变量_name——即类名"base"。

现在有个同学试图继承该类，于是他增加了如下代码

class Derive : public Base {
public:
    Derive() {
        const char* base_name = Base::get_name();
        strcpy(const_cast<char*>(base_name), "Derive");
    }
};

Derive 的构造函数调用了 Base 的 get_name 方法获取了一个 const char*变量 base_name。他试图去修改这个地址空间的数据，让其填充自己类的名称"Derive"。由于 strcpy 需要第一个参数是 char*型的，于是他使用 const_cast 关键字“剥夺”了 base_name 的 const 属性，让编译通过。

目前这段代码还可以正确执行，但是之后一个同学对 Base 类的优化，将彻底触发修改 const 属性引发的灾难。

class Base {
public:
    const char* get_name() const {
        return _name;
    }
private:
    const char* _name = "Base";
}

这样编译出来的代码，最终在执行期会崩溃。

先分析 Base 的 get_name 方法的反汇编代码

push    ebp
mov     ebp, esp
sub     esp, 0CCh
push    ebx
push    esi
push    edi
push    ecx
lea     edi, [ebp+var_CC]
mov     ecx, 33h
mov     eax, 0CCCCCCCCh
rep stosd
pop     ecx
mov     [ebp+var_8], ecx
mov     eax, [ebp+var_8]
mov     dword ptr [eax], offset aBase ; "Base"
mov     eax, [ebp+var_8]
pop     edi
pop     esi
pop     ebx
mov     esp, ebp
pop     ebp
retn

第 15 行将"Base"字符串的地址保存到寄存器 eax 指向的地址空间中。之后该方法返回

push    offset Source   ; "Derive"
mov     eax, [ebp+Dest]
push    eax             ; Dest
call    j_strcpy_0

调用了 strcpy 方法，其中 eax 还是"Base"字符串的首地址。崩溃出现在 strcpy 方法中，出错的地址也是 Base 字符串的首地址。为什么写这个地址会出错，我们看下 get_name 中 aBase 的地址

.rdata:0041DB30 aBase           db 'Base',0             ; DATA XREF: sub_412460+26↑o
.rdata:0041DB35                 db    0
.rdata:0041DB36                 db    0
.rdata:0041DB37                 db    0
.rdata:0041DB38                 db    0

可以见到这个地址保存在 rdata 区域。rdata 是 readonly-data 的意思，即这块地址空间是只读的，所以往其中写数据会报错。

由于我们在修改后的 Base 类中，让成员变量_name 指向了一个字面量。这个字面量作为常量，它会保存在 PE/ELF 文件的只读数据区域。关于什么信息会保存在只读区域，以及还有什么其他区域，大家可以在网上搜索 PE/ELF 文件格式的说明。

最后从语义角度来说，可以认为 Derive 的作者违背了编译器对关键字 const 的约束，即违背了一种约定导致的。所以我们尽量别用 const_cast 这种试图绕过编译器的小聪明手段。