C标准允许自修改代码吗？

Question

在C语言中，是否有一种可移植的方式实现自修改代码？

我问这个问题的原因是，从某种程度上说，面向对象编程依赖于自修改代码（因为在运行时执行的代码实际上是作为数据生成的，例如在虚表中），但是，如果这种方式被过度使用，它将阻止大多数编译器优化。

例如：

void add(char *restrict p, char *restrict pAddend, int len)
{
    for (int i = 0; i < len; i++)
        p[i] += *pAddend;
}

优化编译器可以将 *pAddend 提升出循环，因为它不会干扰 p。然而，在自修改代码中，这不再是一个有效的优化。

因此，似乎 C 不允许自修改代码，但同时，这是否意味着你不能在 C 中做一些像面向对象编程（OOP）的事情？C 真的支持自修改代码吗？

- user541686

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C语言具有函数指针，这就足以构建运行时调度机制。您不需要使用“自修改代码”。 - Nemo

我不会说在C++中的面向对象实现使用了自修改代码，我认为它只是数据驱动的代码。虚函数在概念上与简单的“switch”并没有什么本质区别。 - Vlad

@Mehrdad：通常，“自修改代码”是指更改实际的机器指令，但这实际上是一个定义问题。例如，您提供的优化示例在存在函数指针的情况下确实是有效的。那么，您所说的“自修改代码”究竟是什么意思？ - Nemo

@Steve：我有点困惑你想说什么，抱歉...你能详细说明一下吗？ - user541686

@Mehrdad：你说的话有矛盾之处。“我的例子在自修改代码上出了问题”+“函数指针是一种自修改代码”的说法=你并不知道自修改代码的含义。 - Nemo

Answer 1

自修改代码在C语言中是不可能的，原因有很多，其中最重要的是：

1. 编译器生成的代码完全由编译器决定，可能与试图编写自修改代码的程序员期望的代码完全不同。这是做SMC的一个根本性问题，而不仅仅是可移植性问题。
2. C语言中的函数指针和数据指针是完全独立的；语言没有提供任何方法来相互转换。这个问题并不是根本性的，因为一些实现或更高级别的标准（如POSIX）保证了代码和数据指针共享表示。

除此之外，自修改代码只是一个非常糟糕的想法。20年前它可能有一些用途，但现在它只会导致错误、极差的性能和可移植性失败。请注意，在某些ISA上，指令缓存是否看到对缓存代码所做的更改甚至可能是未指定/不可预测的！

最后，虚函数表与自修改代码无关。这纯粹是修改函数指针，它们是数据，而不是代码。

- R.. GitHub STOP HELPING ICE

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+1 你的最后一句话很关键。由于某种原因，我认为像jmp EAX这样的间接指令在EAX更改时会修改自身...思考上的愚蠢错误。感谢你的答案。 - user541686

这不是真的。请查看POSIX和WinAPI上的页面保护机制。除了在iOS内核中进行代码签名等操作外，没有任何东西可以阻止您在运行时生成机器代码，将页面保护标志设置为EXEC并使用C风格函数指针将控制传递给它。 - Sergey K.

Answer 2

严格来说，如果我正确理解标准的话，在C或C++中无法以可移植的方式实现自修改代码。

C/C++中的自修改代码指的是以下内容：

uint8_t code_buffer[FUNCTION_SIZE];
void call_function(void)
{
   ... modify code_buffer here to the machine code we'd like to run.
   ((void (*)(void))code_buffer)();
}

这种做法是不合法的，在大多数现代架构上会导致崩溃。在哈佛结构中，可执行代码是严格只读的，因此它不能成为任何标准的一部分。

大多数现代操作系统都有一种能力来实现这种黑客技术，其中之一就是动态重新编译器所使用的mprotect()函数，例如Unix系统。

- Maister

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而自修改代码与编写“新鲜”代码并执行它的代码又是完全不同的事情。正如Mehrdad所观察到的那样，如果您不知道首先如何生成/优化该代码，那么修改编译器生成的代码就非常困难，因为机器指令不一定与AST有任何特别明显的关系。 - Steve Jessop

虽然你不能编写“自修改的C代码”，但C编译器可以发出“自修改的机器码”。我认为这个问题允许两种情况，我不知道原帖作者是否考虑了这两种情况，也不知道是否有任何C编译器这样做过。 - hippietrail