const修饰的变量不一定是常量

前言

很多C/C++方面的书中都介绍到“当变量由const修饰时，这个变量就成为了常量，其值不能再修改”。果真如此吗？在之前的一篇文章C/C++中已初始化/未初始化全局/静态/局部变量/常量在内存中的位置对const修饰的局部变量是否是常量就提出过怀疑，这里利用一些例子来确认一下const修饰的变量究竟是不是常量。

还是首先上结论：const修饰的全局变量、静态局部变量以及数组（包括字符串）的值都不能再更改，const修饰的基本类型局部变量的值都可以更改。

注意：对const修饰的变量重新赋值属未定义行为，其影响因编译器而异。

开发环境

OS X El Captian (10.11.6)
Apple LLVM 7.3.0 (clang-703.0.31)
gcc 6.1.0

全局变量、静态变量与数组

这三种类型的变量，其值在编译时就放在只读的__const段或__cstring段内，运行时重新赋值会出现“段错误”。

const int global_int = 1;

int main(int argc, const char *argv[]) {
  const static char static_char = 'a';
  const int local_int_array[] = {1, 2, 3};
  const char local_str1[] = "Hello";
  char *local_str2 = "World";

  int *global_int_ptr = &global_int;
  *global_int_ptr = 2;

  char *static_char_ptr = &static_char;
  *static_char_ptr = 'b';

  int *local_int_array_ptr = &local_int_array[0];
  *local_int_array_ptr = 3;

  char *local_str1_ptr = &local_str1[0];
  *local_str1_ptr = 'W';

  char *local_str2_ptr = local_str2;
  *local_str2_ptr = 'H';

  return 0;
}

如上代码使用C编译器编译，运行时无一例外都会提示出错（自己试试注释掉部分语句？），如clang提示

Thread 1: EXC_BAD_ACCESS (code=2, address=0x100000fa0)

我们来看看这些变量所在的内存位置（这里就简单点直接列出来，具体的方法请参考前面的文章）：

变量名	内存地址	所在段
global_int	0x100000f90	__const
static_char	0x100000f94	__const
local_int_array	0x100000f98	__const
local_str1	0x100000fa4	__const
*local_str2	0x100000faa	__cstring

无一例外，由于const的修饰，这些变量在编译时全都放在了只读的__const段或__cstring段内，在运行时由操作系统保护这些段为只读，对其重新赋值会提示出错。

有没有发现上面例子中的local_str2有点不一样，没有const修饰？这种情况在上一篇C中字符串在内存中的位置及读写等分析中已经讨论过，采用指针方式初始化的字符串，其字符串常量本身被放在__cstring段中，而指针则被放在栈中，所以对此字符串重新赋值也会提示出错。

基本类型局部变量

基本类型的局部变量加不加const修饰都是放在栈中的，这里不再验证。这里主要关注的是：在栈中的const修饰的局部变量，是否有如上述全局变量等的操作系统提供的写保护？即这些const修饰的局部变量是只读的吗？

验证的方法很简单啦，找个const修饰的局部变量仍然可以重新赋值的例子就好了。由于C和C++的处理方法不一样，这里分开讨论。

C

我们看这段代码：

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char *argv[]) {
  const int local_const_a = 10;
  int *ptr = &local_const_a;

  *ptr = 20;

  printf("local_const_a=%d\n", local_const_a);
  printf("*ptr=%d\n", *ptr);

  return 0;
}

编译输出：

local_const_a=10
*ptr=20

同一个变量有两个不同的值？为谨慎起见我们还是看看内存里local_const_a的值：local_const_a所在内存地址为0x7fff5fbff93c，此地址下内存值为14 00 00 00，即20。

首先我们能确认的是这个const修饰的变量的值已经被改变了。接下来我们再来分析为什么local_const_a仍然会输出10。

看看反汇编代码：

0x100000f00 <+0>:   pushq  %rbp
0x100000f01 <+1>:   movq   %rsp, %rbp
0x100000f04 <+4>:   subq   $0x30, %rsp
0x100000f08 <+8>:   leaq   0x7f(%rip), %rax          ; "local_const_a=%d\n"
0x100000f0f <+15>:  movl   $0xa, %ecx
0x100000f14 <+20>:  leaq   -0x14(%rbp), %rdx
0x100000f18 <+24>:  movl   $0x0, -0x4(%rbp)
0x100000f1f <+31>:  movl   %edi, -0x8(%rbp)
0x100000f22 <+34>:  movq   %rsi, -0x10(%rbp)
0x100000f26 <+38>:  movl   $0xa, -0x14(%rbp)
0x100000f2d <+45>:  movq   %rdx, -0x20(%rbp)
0x100000f31 <+49>:  movq   -0x20(%rbp), %rdx
0x100000f35 <+53>:  movl   $0x14, (%rdx)
0x100000f3b <+59>:  movq   %rax, %rdi
0x100000f3e <+62>:  movl   %ecx, %esi
0x100000f40 <+64>:  movb   $0x0, %al
0x100000f42 <+66>:  callq  0x100000f6c               ; symbol stub for: printf
0x100000f47 <+71>:  leaq   0x52(%rip), %rdi          ; "*ptr=%d\n"
0x100000f4e <+78>:  movq   -0x20(%rbp), %rdx
0x100000f52 <+82>:  movl   (%rdx), %esi
0x100000f54 <+84>:  movl   %eax, -0x24(%rbp)
0x100000f57 <+87>:  movb   $0x0, %al
0x100000f59 <+89>:  callq  0x100000f6c               ; symbol stub for: printf
0x100000f5e <+94>:  xorl   %ecx, %ecx
0x100000f60 <+96>:  movl   %eax, -0x28(%rbp)
0x100000f63 <+99>:  movl   %ecx, %eax
0x100000f65 <+101>: addq   $0x30, %rsp
0x100000f69 <+105>: popq   %rbp
0x100000f6a <+106>: retq

想必没几个人会耐着性子看汇编，我们把注意力集中在两个printf上。因为涉及到函数调用，这里说明下64位系统下函数调用参数传递的方式，callq函数调用前，第一个参数放在rdi寄存器中，第二个参数放在rsi寄存器中，其中rsi的低32位称为esi。

第一个`printf`：

printf("local_const_a=%d\n", local_const_a);

其相关的汇编代码为：

0x100000f08 <+8>:   leaq   0x7f(%rip), %rax          ; "local_const_a=%d\n"
0x100000f0f <+15>:  movl   $0xa, %ecx

0x100000f3b <+59>:  movq   %rax, %rdi
0x100000f3e <+62>:  movl   %ecx, %esi

0x100000f42 <+66>:  callq  0x100000f6c               ; symbol stub for: printf

第一个参数rdi为指向"local_const_a=%d\n"的指针，第二个参数esi为0xa，也就是说调用printf时并没有从local_const_a的内存地址获取最新的值20，而是直接拿const声明时的值10，即在编译时相当于对local_const_a作了宏替换。

也就是说，因为local_const_a有const修饰且其值确定，所以编译时将所有出现local_const_a的地方直接替换为其值，而不考虑运行时值会不会改变。即可以理解为执行的是

printf("local_const_a=%d\n", 10);

第二个`printf`：

printf("*ptr=%d\n", *ptr);

其相关的汇编代码为：

0x100000f26 <+38>:  movl   $0xa, -0x14(%rbp)

0x100000f14 <+20>:  leaq   -0x14(%rbp), %rdx

0x100000f2d <+45>:  movq   %rdx, -0x20(%rbp)

0x100000f47 <+71>:  leaq   0x52(%rip), %rdi          ; "*ptr=%d\n"
0x100000f4e <+78>:  movq   -0x20(%rbp), %rdx
0x100000f52 <+82>:  movl   (%rdx), %esi

0x100000f59 <+89>:  callq  0x100000f6c               ; symbol stub for: printf

第一个参数rdi为指向"*ptr=%d\n"的指针，第二个参数esi为以ptr为地址的内存的值，即local_const_a的最新值。

也就是说，由于是通过指针间接访问，因此编译也是按照这个步骤从指针获取内存地址，然后再从内存地址获取内存值，从而得到了local_const_a的真实值。

C++

C++不同于C是因为C++封堵了常量指针向指针的转换，所以上述C代码用C++编译器直接编译不过去。不过还是有办法通过指针改变const修饰的变量的值得，下面介绍两种，第一种使用C++提供的const_cast转换符来去除变量的const限定；第二种则采用间接的方式来“制造”一个指向const修饰的变量的指针。

方法一

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char *argv[]) {
  const int local_const_a = 10;
  int *ptr = const_cast<int *>(&local_const_a);

  *ptr = 20;

  printf("local_const_a=%d\n", local_const_a);
  printf("*ptr=%d\n", *ptr);

  return 0;
}

通过const_cast将常量指针转换为指针，与上面的C版本实际是一样的，输出

local_const_a=10
*ptr=20

方法二

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char *argv[]) {
  const int local_const_a = 10;

  int temp = 1;
  int *ptr = &temp;
  ptr += 1;

  *ptr = 20;

  printf("local_const_a=%d\n", local_const_a);
  printf("*ptr=%d\n", *ptr);

  const int *const_ptr = &local_const_a;
  printf("*const_ptr=%d\n", *const_ptr);

  return 0;
}

这种方法实际是利用到了栈，local_const_a进栈后，随机将占位的temp进栈，此时这两个变量在内存中紧邻；然后创造一个指向temp的指针，给这个指针一个int长度的偏移，这个指针就实际指向local_const_a啦！这时通过这个指针进行赋值，修改的就是local_const_a的值。输出

local_const_a=10
*ptr=20
*const_ptr=20

上述这两种方法了C版本一样，直接输出local_const_a为声明时的值，而通过指针输出的是实际值，但都做到了对const变量的重新赋值。

总结

const修饰的全局变量、静态局部变量以及数组（包括字符串）由于保存在只读的段中，其值受操作系统保护，所以这些const修饰的变量就是实际意义上的常量。

但const修饰的基本类型局部变量则保存在栈中，运行时并没有任何形式的写保护，其值可以自由修改。这些const修饰只在编译时起作用，编译器会将这些变量当做类似于宏处理；或者说，编译器对这些变量只作“道义上”的保护，但并不能“防小人”。需要注意的一点是，任何对const修饰的变量重新赋值，都是未定义行为（Undefined Behavior），不同编译器可以有不同的处理方法。

One More Thing

宏替换是需要值已经确定是吧？如果这个const变量的值只能在运行时才能确定呢？

这里就不做实验了，结果就是不会出现上述一个变量两种值的问题，因为哪种情况下运行时都得先得到变量的内存地址，然后再获取最新的值。

参考

俞甲子, 潘爱民. 程序员的自我修养: 链接, 装载与库[M]. 电子工业出版社, 2009.

仅有一条评论

peter

2019-10-11 15:32

C++和C一样，都用强制类型转换就可以了：
int ptr = (int )&local_const_a;

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