CPU眼里的：常量（const）

山峰云繞 2023-05-27 發(fā)布于貴州

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“常量為什么不能被改寫？有魔法嗎？是的，有魔法”

提出問題

什么是常量？常量就是：數(shù)值不能變化的變量。如果如此簡單、易懂的定義，你都能挑出毛病，那可能就真的是在：嘩眾取寵了。提出問題的人，可能需要在自己身上找找原因了。

但你是否考慮過一個問題：是什么機(jī)制，在保證常量，不能改變這個初衷呢？要知道，市面上所有的內(nèi)存條，都是可讀、可寫、可改的，想試圖阻止 CPU 的寫操作，談何容易呀！

是程序員的自律？還是編譯器的銅墻鐵壁？就讓我們的用 CPU 的視角，解讀一個常量背后的故事。

代碼分析

打開 Compiler Explorer，定義一個常量a，再定義一個變量b；為了防止編譯器優(yōu)化常量 a 的讀寫操作，我們特意在定義常量 a 的時候加上了關(guān)鍵字：volatile；至于 volatile 的工作原理，請查看“CPU眼里的volatile”。

接著，寫一個函數(shù)func1，用來讀取并返回常量a的值；然后，再寫一個函數(shù)func2，用來讀取并返回變量b的值：

老規(guī)矩，不要關(guān)心匯編指令的具體含義，我們只比較二者的差異，很顯然除了a、b的內(nèi)存地址不同外，兩個函數(shù)的匯編指令完全相同！編譯器并沒有對變量和常量作任何的區(qū)分和特殊處理。

難道，我們又要得到一個聳人聽聞的結(jié)論：變量與常量，本質(zhì)上沒有任何區(qū)別？且慢，我們再看看寫操作，先給變量b賦值，編譯通過，沒有問題。

再給常量a，賦相同的值：1

inf func1(){ a = 1; return 0;}

雖然我們并沒有試圖改變常量a的值，但我們的代碼，還是會被編譯器無情的拒絕！

看來，常量的含義不僅僅是：它的值不可改變，原來它是徹底的拒絕寫操作呀。即便是你并不打算改變它的值?？磥?const 關(guān)鍵字還真能保護(hù)常量的值，不會被重新寫入。

為了解除編譯器層面的禁止，我們需要為常量a稍微換個馬甲，幫助它繞過編譯器的檢查：

如你所見，對常量a作一個向普通 int 類型的轉(zhuǎn)換，這樣就可以通過編譯了。

再比較一下函數(shù)func1和函數(shù)func2的匯編指令，如你所見：除了a、b的內(nèi)存地址不同外，它們的匯編指令是完全一致的！

好了，如此看來：常量a和變量b，在讀、寫操作上面，都是完全一致的。排除編譯器在語法層面，對常量的保護(hù)，我們能否認(rèn)為：常量與變量的本質(zhì)是完全相同的呢？

到底是否相同，我們實際運(yùn)行一下就知道了。寫一個函數(shù)main，先調(diào)用一下函數(shù)func2，一切正常；然后我們再調(diào)用一下函數(shù)func1：

如你所見，在調(diào)用函數(shù)func1的時候程序出錯，返回值：139意味著：段錯誤（segmentation fault）這是為什么呢？讓我們分別打印：常量a和變量b的內(nèi)存地址：

如你所見，雖然a、b是依次定義的，但是內(nèi)存地址的距離，卻超過了：8K 字節(jié)。它們顯然不在同一個內(nèi)存頁里面，如“CPU眼里的程序運(yùn)行”所說，程序運(yùn)行前，代碼中的全局變量、常量會被拷貝到數(shù)據(jù)段。只是這個數(shù)據(jù)段還會被細(xì)分成：只讀數(shù)據(jù)段和可讀、寫數(shù)據(jù)段，因此，它們所在的內(nèi)存頁的讀、寫屬性可能是不同的。

我們猜：變量b所在的內(nèi)存頁，在MMU映射表中的屬性是：可讀、可寫的；常量a所在的內(nèi)存頁，在MMU映射表中屬性是：只讀的。因此，當(dāng)我們強(qiáng)行對a進(jìn)行：寫操作時，就會觸發(fā)CPU異常，導(dǎo)致程序崩潰！

因為，內(nèi)存頁的讀寫屬性，不僅對常量a所在的內(nèi)存有效，甚至對整個4KB的內(nèi)存頁，都是有效的。所以，即使試圖對a周圍的內(nèi)存，進(jìn)行寫操作也是不被允許的：

夸張的說：現(xiàn)代操作系統(tǒng)和編程語言的實現(xiàn)，都離不開MMU這個好幫手。更多的MMU知識，還可以查看“CPU眼里的虛擬內(nèi)存”。

總結(jié)

常量并不僅僅是：不能改變初值的變量，也是：不允許對其二次寫入的變量。除此之外，它跟普通變量一樣，也是某個內(nèi)存地址的別名。
編譯器可以通過對代碼的解讀，阻止明顯的、針對常量的寫操作。但由于常量，跟變量一樣，也只是內(nèi)存地址的別名。所以程序員很容易通過指針、或類型轉(zhuǎn)換的方式，逃過編譯器的檢查。
真正保證常量不被寫入的安全閥是：MMU，它能從物理上阻止對特定內(nèi)存的讀寫。如果常量所在的內(nèi)存頁是不可讀寫的，例如：read only數(shù)據(jù)段，那么寫操作會被MMU阻止，并產(chǎn)生CPU異常。

但如果常量所在的內(nèi)存頁是可讀、寫的，例如：函數(shù)內(nèi)部定義的臨時的“?！背Ａ浚捎凇岸褩！北旧硎强勺x、可寫的，所以在逃過編譯器檢查后，“?！背Ａ恳彩强梢皂樌麑懭氲摹?/p>