为什么我可以通过指针强制转换来更改局部 const 变量，但不能在 C 中更改全局变量？

Question

我想通过使用指针来更改常量的值。

考虑以下代码

int main()
{
    const int const_val = 10;
    int *ptr_to_const = &const_val;

    printf("Value of constant is %d",const_val);
    *ptr_to_const = 20;
    printf("Value of constant is %d",const_val);
    return 0;
}

正如预期的那样，常量的值被修改。

但是当我使用全局常量尝试相同的代码时，我收到以下运行时错误。 Windows 崩溃报告器正在打开。 在打印此语句“*ptr_to_const = 20;”中的第一个 printf 语句后，可执行文件将停止

考虑以下代码

const int const_val = 10;
int main()
{
    int *ptr_to_const = &const_val;
    printf("Value of constant is %d",const_val);
    *ptr_to_const = 20;
    printf("Value of constant is %d",const_val);
    return 0;
}

该程序是在 mingw 环境中使用 codeblocks IDE 编译的。

谁能解释一下发生了什么事吗？

Answer 1

它是一个常量，并且您正在使用一些技巧来更改它，因此会导致未定义的行为。 全局常量可能位于只读存储器中，因此无法修改。 当您尝试这样做时，您会收到运行时错误。

常量局部变量在堆栈上创建，可以修改。 所以在这种情况下你可以改变常量，但它仍然可能会导致奇怪的事情。 例如，编译器可以在各个地方使用常量的值而不是常量本身，因此“更改常量”不会在这些地方显示任何效果。

Answer 2

它在只读存储器中！

基本上，您的计算机使用两级页表系统将虚拟地址解析为物理地址。 伴随着这个宏大的数据结构而来的是一个特殊的位，表示页面是否可读。 这很有帮助，因为用户进程可能不应该过度编写自己的程序集（尽管自修改代码有点酷）。 当然，他们可能也不应该过度编写自己的常量变量。

您不能将“const”函数级变量放入只读内存中，因为它位于堆栈中，并且必须位于读写页面上。 但是，编译器/链接器会看到您的 const，并通过将其放入只读内存（它是常量）来帮您一个忙。 显然，覆盖它会给内核带来各种不愉快，内核会通过终止进程来消除对进程的愤怒。

Answer 3

仅当您确定所指向的变量最初是非常量的（并且您恰好有一个指向它的常量指针）时，在 C 和 C++ 中放弃指针常量性才是安全的。 否则，它是未定义的，并且根据您的编译器、月相等，第一个示例也很可能失败。

Answer 4

您甚至不应该期望该值首先被修改。 根据标准，这是未定义的行为。 全局变量和首先都是错误的。 只是不要这样做:) 它可能会以另一种方式崩溃，或者本地和全局都崩溃。

Answer 5

这里有两个错误。 第一个是：

int *ptr_to_const = &const_val;

根据 C11 6.5.4/3，这是一个约束违规（早期标准有类似的文本）：

约束

涉及指针的转换，除非 6.5.16.1 的约束允许，否则应通过显式强制转换来指定

从 const int * 到 的转换>int * 是 6.5.16.1 的约束不允许的（可以查看 此处）。

令人困惑的是，当某些编译器遇到约束违规时，它们会写“警告”（甚至什么也不写，具体取决于开关）并假装您在代码中写了其他内容，然后继续。 这通常会导致程序的行为不符合程序员的预期，或者实际上不以任何可预测的方式行为。 为什么编译器要这样做？ 这让我很困惑，但这确实会引发无穷无尽的此类问题。

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gcc，看起来就像您编写了 int *ptr_to_const = (int *)&const_val; 一样进行。

这段代码并不违反约束，因为使用了显式强制转换。 然而，这给我们带来了第二个问题。 然后，*ptr_to_const = 20; 行尝试写入 const 对象。 这会导致未定义的行为，标准中的相关文本位于6.7.3 /6：

如果尝试通过使用非 const 限定类型的左值来修改使用 const 限定类型定义的对象，则行为未定义。

该规则是语义规则，而不是约束规则，这意味着标准不要求编译器发出任何类型的警告或错误消息。 该程序是错误的，并且可能会以无意义的方式运行，并出现任何奇怪的症状，包括但不限于您观察到的情况。

Answer 6

由于此行为未在规范中定义，因此它是特定于实现的，因此不可移植，因此不是一个好主意。

为什么要改变常量的值？

Answer 7

注意：这是对 的回答我们可以通过指针更改使用 const 定义的对象的值吗？ 链接到此问题作为重复项。

该标准没有要求编译器必须对构造指向 a 的指针的代码执行什么操作 。 const 对象并尝试写入它。 某些实现（尤其是嵌入式实现）可能具有有用的行为（例如，使用非易失性 RAM 的实现可以合法地将 const 变量放置在可写的内存区域中，但其内容将保留即使该单元断电并重新启动），并且该标准对编译器如何处理创建指向 const 内存的非 const 指针的代码没有提出任何要求不影响此类代码在明确允许的实现上的合法性。 然而，即使在这样的实现上，替换如下内容可能也是一个好主意：

volatile const uint32_t action_count;

BYPASS_WRITE_PROTECT = 0x55; // Hardware latch which enables writing to
BYPASS_WRITE_PROTECT = 0xAA; // const memory if written with 0x55/0xAA
BYPASS_WRITE_PROTECT = 0x04; // consecutively followed by the bank number
*((uint32_t*)&action_count)++;
BYPASS_WRITE_PROTECT = 0x00; // Re-enable write-protection of const storage

如果

void protected_ram_store_u32(uint32_t volatile const *dest, uint32_t dat)
{
    BYPASS_WRITE_PROTECT = 0x55; // Hardware latch which enables writing to
    BYPASS_WRITE_PROTECT = 0xAA; // const memory if written with 0x55/0xAA
    BYPASS_WRITE_PROTECT = 0x04; // consecutively followed by the bank number
    *((volatile uint32_t*)dest)=dat;
    BYPASS_WRITE_PROTECT = 0x00; // Re-enable write-protection of const storage
}
void protected_ram_finish(void) {}
...
protected_ram_store(&action_count, action_count+1);
protected_ram_finish();

编译器很容易对写入 const 存储的代码应用不需要的“优化”，则将“protected_ram_store”移动到单独编译的模块可以防止此类优化。 它也可能很有帮助，例如代码需要移动到使用其他协议写入内存的硬件。 例如，某些硬件可能会使用更复杂的写入协议来最大限度地减少错误写入的可能性。 拥有一个明确目的是写入“通常常量”内存的例程将使这种意图变得清晰。