C++的常量折叠（一）

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前言

前几天女票问了我一个阿里的面试题，是有关C++语言的const常量的，其实她一提出来我就知道考察的点了：肯定是const常量的内存不是分配在read-only的存储区的，const常量的内存分配区是很普通的栈或者全局区域。也就是说const常量只是编译器在编译的时候做检查，根本不存在什么read-only的区域。

所以说C++的const常量和常量字符串是不同的，常量字符串是存储在read-only的区域的，他们的具体的存储区域是不同的。

 

就好像杨立翔老师在上课举得那个例子（讲的东西忘得差不多了，但是例子都记得，什么撕户口本，月饼模子之类的）：

场景：老式的电影放映机，门口的检票员，最后排那个座位上的放映师傅，好多的观众席。

你的电影票上有你的名字，检票员的手里有个名字和座位号的对应表，检票员不允许观众乱坐位置。

所以游戏就这样开始了，电影院的每一个观众席都是const常量类型的，检票员就是编译器，在观众进门的时候，每个人都必须坐自己票上的位子，也就是说观众必须拿着自己的票进门。你拿着别人的票就不让你进去，所以就不能更换座位。

类比到C++语言上，场景应该是这样的：对于哪些const常量，在编译的时候就已经决定了，他们在内存的存储位置，你如果直接改这个常量的值是不合法的。就好像你不能拿着一张别人的电影票进电影院，因为检票员手里有一张座位号到姓名的映射表，他知道哪个座位该坐谁，并且不让观众随意调换（这个例子尼玛真的好形象啊，杨老师说的没有这么好，我后期根据自己的理解稍微添油加醋）。其实检票员手里的那张映射表就是编译器的符号表，是不是真的很形象，关于这个符号表后面说。

那么新的问题来了，观众进到电影院以后，我跟旁边的哥们说一声，我给你100块，你给我换一下位置吧，如果他同意了，我们就能换。检票员管不着，进都进来了，还能怎样。所以两个人就调换了位子。

C++的const常量一样是这个样子，编译器在编译的时候要查看它手里的符号表，如果你拿的是一个const常量，并且你要修改这个常量的值，他就拒绝。但是这种检查值会发生在编译器，如果我能绕过编译器，在运行的时候修改这个const的值，将会是很easy的一件事，就像前面说的，我给那哥们100块就搞定了。所以说const常量的存储空间同其他的变量的存储空间没有任何的区别，它的这种常量不允许就该的检查只发生在编译器的编译阶段。

但是常量字符串的存储位置就不同了，它的存储位置是read-only的区域，就像电影院最后的那个放映师的位置，那里是一个特殊的位置，是真的不允许随便的调换，你给他1000也不给你换，因为师傅要在那个位置放映，不然没法看电影。当然了，实现这种read-only的存储区域也很简单，把那个内存的页（page）的属性标记为只读的就好了。

对了，当时我还想起了这个：

const int *p1; /* p1所指向的int变量值不可改变，为常量，但可以改变p1指针的值 */
int * const p2; /* p2指针为常量，即p2的值不可改变，但可以改变p2指向对象的值 */
const int * const p3; /* p3指针是常量，同时p3所指向int对象的值也是常量 */

啰啰嗦嗦说这么长一个例子，其实很简单的道理，就是为了好玩，好记。先宏观的说一下const常量的实现机制，下面说一些具体的实现。

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其实女票提出的问题不算难，是C++语言的一个知识点，总而言之就是一个常量折叠。

先说一个错误的理解（为什么要说一个错误的理解，因为它有助于正确的理解，哈哈）：可折叠的常量就像宏一样，在预编译阶段对const常量的引用一律被替换为常量所对应的值。就和普通的宏替换没有什么区别，并且编译器不会为该常量分配存储空间。

看清楚了，上面说的是一个错误的理解，常量折叠确实会像宏替换一样把对常量的引用替换为常量对应的值，但是该常量是分配空间的，并且靠编译器来检查常量属性。

#define PI 3.14
int main()
{
    const int r = 10;

    int p = PI;//这里在预编译阶段产生宏替换，PI直接替换为3.14，其实就是int p = 3.14
    int len = 2 * r;//这里会发生常量折叠，也就是说常量r的引用会替换成它对应的值，相当于int len = 2 * 10;
    return 0;
}

如上述代码中所述，常量折叠表面上的效果和宏替换是一样的，只是，“效果上是一样的”，而两者真正的区别在于，宏是字符常量，在预编译阶段的宏替换完成后，该宏名字会消失，所有对宏如PI的引用已经全部被替换为它所对应的值，编译器当然没有必要再维护这个符号。而常量折叠发生的情况是，对常量的引用全部替换为该常量如r的值，但是，常量名r并不会消失，编译器会把他放入到符号表中，同时，会为该变量分配空间，栈空间或者全局空间。既然放到了符号表中，就意味着可以找到这个变量的地址（埋一个伏笔先）。

符号表不是一张表，是一系列表的统称，这里的const常量，会把这个常量的名字、类型、内存地址、值都放到常量表中。符号表还有一个变量表，这个表放变量的名字、类型、内存地址，但是没有放变量的值。

为了更能体现出常量折叠，看下面的对比实验：

int main()
{int i0 = 11;const int i = 0;         //定义常量iint *j = (int *) &i;   //看到这里能对i进行取值，判断i必然后自己的内存空间*j = 1;                  //对j指向的内存进行修改printf("0x%p\n0x%p\n%d\n%d\n",&i,j,i,*j); //观看实验效果const int ck = 9;     //这个对照实验是为了观察，对常量ck的引用时，会产生的效果int ik = ck;int i1 = 5;           //这个对照实验是为了区别，对常量和变量的引用有什么区别int i2 = i1;return 0;
}

下面看一下不同编译器的输出结果

vc6.0：

vs2010：

g++的输出结果：

注意：对于Linux的GUN中的gcc是用来编译.c文件的C语言编译器，g++是用来编译.cpp的C++语言编译器。

我们这里讲的是C++的商量折叠，所以源文件要是.cpp的才可以。（C语言的const常量最后再说）

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上面的程序的运行结果至少说明两点：

（1）i和j地址相同，指向同一块空间，i虽然是可折叠常量，但是，i确实有自己的空间

（2）i和j指向同一块内存，但是*j = 1对内存进行修改后，按道理来说，*j==1,i也应该等于1，而实验结果确实i实实在在的等于0。
这是为什么呢，就是本文所说的内容，i是可折叠常量，在编译阶段对i的引用已经别替换为i的值了，同时不同于宏替换的是，这个i还被存到了常量表中。
也就是说：

printf("0x%p\n0x%p\n%d\n%d\n",&i,j,i,*j);

中的i在预处理阶段已经被替换，其实已经被改为：

printf("0x%p\n0x%p\n%d\n%d\n",&i,j,0,*j);

同时在常量表中也有i这个变量，不然的话对i取地址是不合法的，这是和宏替换的不同点，宏替换是不会把宏名称放到常量表中的，预编译完就用不到了。

为了更加直观，下面直接上这个程序的反编译的汇编语言：

（1）方法：打个断点调试->窗口反汇编（还有好多功能，比如内存多线程等）

（2）反汇编代码：

--- d:\cv_projects\commontest\commontest\commontest.cpp ------------------------
#include <stdio.h>
int main()
{
01311380  push        ebp  
01311381  mov         ebp,esp  
01311383  sub         esp,114h  
01311389  push        ebx  
0131138A  push        esi  
0131138B  push        edi  
0131138C  lea         edi,[ebp-114h]  
01311392  mov         ecx,45h  
01311397  mov         eax,0CCCCCCCCh  
0131139C  rep stos    dword ptr es:[edi]  
    int i0 = 11;
0131139E  mov         dword ptr [i0],0Bh  

    const int i = 0;         //定义常量i
013113A5  mov         dword ptr [i],0    //编译器确实为常量i分配了栈空间，并赋值为0  
    int *j = (int *) &i;   //看到这里能对i进行取值，判断i必然后自己的内存空间
013113AC  lea         eax,[i]  
013113AF  mov         dword ptr [j],eax  
    *j = 1;                  //对j指向的内存进行修改
013113B2  mov         eax,dword ptr [j]  
013113B5  mov         dword ptr [eax],1  
    printf("0x%p\n0x%p\n%d\n%d\n",&i,j,i,*j); //观看实验效果
013113BB  mov         esi,esp  
013113BD  mov         eax,dword ptr [j]  
013113C0  mov         ecx,dword ptr [eax]  
013113C2  push        ecx  
013113C3  push        0  
013113C5  mov         edx,dword ptr [j]  
013113C8  push        edx  
013113C9  lea         eax,[i]  
013113CC  push        eax  
013113CD  push        offset string "0x%p\n0x%p\n%d\n%d\n" (131573Ch)  
013113D2  call        dword ptr [__imp__printf (13182B0h)]  
013113D8  add         esp,14h  
013113DB  cmp         esi,esp  
013113DD  call        @ILT+295(__RTC_CheckEsp) (131112Ch)  

    const int ck = 9;     //这个对照实验是为了观察，对常量ck的引用时，会产生的效果
013113E2  mov         dword ptr [ck],9  //为常量分配栈空间，这是符号表中已经有了这个变量
    int ik = ck;
013113E9  mov         dword ptr [ik],9  //看到否，对常量ck的引用，会直接替换为常量的值9，这种替换很类似于宏替换，再看下面的实验

    int i1 = 5;           //这个对照实验是为了区别，对常量和变量的引用有什么区别
013113F0  mov         dword ptr [i1],5  
    int i2 = i1;    //这里引用变量i1，对i2进行赋值，然后看到否，对常量i1引用没有替换成i1的值，而是去栈中先取出i1的值，到edx寄存器中，然后再把值mov到i2所在的内存中
013113F7  mov         eax,dword ptr [i1]  
013113FA  mov         dword ptr [i2],eax  

    return 0;
013113FD  xor         eax,eax  
}

通过上述实验的分析可以容易看出，对可折叠的常量的引用会被替换为该常量的值，而对变量的引用就需要访问变量的内存。

总结：常量折叠说的是，在编译阶段，对该变量进行值替换，同时，该常量拥有自己的内存空间，并非像宏定义一样不分配空间，需澄清这点

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前面说了个不许用gcc编译.c的C语言的程序，不然就没有了常量折叠的问题，先看一下执行的结果：

最后说一下gcc编译的C语言的const常量，这里并没有做常量折叠的这种优化，类似于const常量前面加上volatile这个关键字。具体是怎么回事？下一篇博客再说。