Неожиданное поведение, связанное с const_cast

Понимание ошибки

Неожиданное поведение возникает из-за особенностей устаревшей реализации std::string. Старые версии GCC реализованы std::string с использованием семантики копирование при записи. Это умная идея, но она вызывает ошибки, подобные той, которую вы видите. Это означает, что GCC пытался определить std::string так, чтобы внутренний строковый буфер копировался только в случае изменения нового std::string. Например:

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

Однако когда вы берете постоянный указатель, копирование не происходит, потому что библиотека предполагает, что строка не будет изменена с помощью этого указателя:

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)

Как вы заметили, семантика копирование при записи имеет тенденцию вызывать ошибки. Из-за этого, а также потому, что копирование строки довольно дешево (учитывая все обстоятельства), реализация копирования копирование при записи для std::string была обесценивается и удаляется в GCC 5.

Итак, почему вы видите эту ошибку, если используете GCC 5? Вероятно, вы компилируете и компонуете более старую версию стандартной библиотеки C++ (в которой копирование при записи все еще является реализацией std::string). Это то, что вызывает ошибку для вас.

Проверьте, для какой версии стандартной библиотеки C++ выполняется компиляция, и, если возможно, обновите свой компилятор.

Как узнать, какую реализацию std::string использует мой компилятор?

• Новая реализация GCC: sizeof(std::string) == 32 (при компиляции для 64-битной версии)
• Старая реализация GCC: sizeof(std::string) == 8 (при компиляции для 64-битной версии)

Если ваш компилятор использует старую реализацию std::string, то sizeof(std::string) будет таким же, как sizeof(char*), потому что std::string реализован как указатель на блок памяти. Блок памяти — это тот, который фактически содержит такие вещи, как размер и емкость строки.

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; 
    }
};

С другой стороны, если вы используете более новую реализацию std::string, то sizeof(std::string) должно быть 32 байта (в 64-битных системах). Это связано с тем, что более новая реализация хранит размер и емкость строки в самом std::string, а не в данных, на которые он указывает:

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

Чем хороша новая реализация? Новая реализация имеет ряд преимуществ:

• Доступ к размеру и емкости может выполняться быстрее (поскольку оптимизатор, скорее всего, сохранит их в регистрах или, по крайней мере, в кеше).
• Поскольку std::string составляет 32 байта, мы можем воспользоваться оптимизацией малых строк. Оптимизация малых строк позволяет хранить строки длиной менее 16 символов в пространстве, обычно занимаемом _capacity и _padding. Это позволяет избежать выделения кучи и быстрее для большинства случаев использования.

Ниже мы видим, что GDB использует старую реализацию std::string, потому что sizeof(std::string) возвращает 8 байтов: