编译器是如何实现C/C++中的const的功能？
const 的守护之剑：编译器如何雕琢 C/C++ 中的不变之道
在C/C++的世界里，`const` 并非只是一个简单的关键字，它更像一把锋利的守护之剑，承诺着数据的不可变性，为程序的稳定性和可维护性筑起一道坚实的壁垒。那么，这把剑究竟是如何被铸造和挥舞的呢？这背后，是编译器一系列精巧的设计和严密的执行。让我们深入剖析编译器如何实现 `const` 的强大功能。
1. `const` 的本质：一种约束，一种承诺
首先要明确，`const` 在 C/C++ 中最核心的功能是一种“约束”，是对程序员的一种“承诺”。它告诉编译器和后来的开发者：“我保证这个变量的值在它的生命周期内不会被修改。” 编译器收到这个承诺后，便开始履行自己的职责：通过一系列检查和优化，确保这个承诺不被违背。
2. 编译器如何识别和理解 `const`：词法分析与语法分析的功劳
这一切的起点，是编译器在处理源代码时的第一步：词法分析。
词法分析器 (Lexer/Scanner)：当编译器读取源代码时，词法分析器会将其分解成一个个有意义的“符号”或“Token”。在这个过程中，`const` 关键字会被识别为一个特殊的 Token，它拥有特定的类型和属性。
语法分析器 (Parser)：接下来，语法分析器会根据 C/C++ 的语法规则，将这些 Token 组织起来，构建出抽象语法树 (Abstract Syntax Tree, AST)。在 AST 中，`const` 关键字会成为某个变量声明的属性，例如，`const int MAX_VALUE = 100;` 会在 AST 中被表示为一个整型变量声明，其附加属性是 `const`。
通过这两个阶段，编译器就彻底理解了 `const` 的存在及其所修饰的对象。
3. `const` 的具体实现策略：编译器如何“守护”
编译器并非仅仅认识到 `const`，而是会根据 `const` 修饰的对象类型和上下文，采取不同的具体实现策略：
a) `const` 修饰基本类型变量：编译时检查的利剑
当 `const` 修饰一个基本类型（如 `int`, `float`, `char` 等）的变量时，编译器会将其视为一个编译时常量。
字面量化/内联化：在许多情况下，编译器会直接将 `const` 变量的值替换到使用它的地方，就像直接使用字面量一样。例如：
```c++
const int MAX_SIZE = 50;
int arr[MAX_SIZE]; // 编译器会将 MAX_SIZE 直接替换为 50
```
这不仅仅是一种优化，更是一种“守护”——如果编译器在其他地方试图修改 `MAX_SIZE`，它会因为 `MAX_SIZE` 被替换成了字面量而找不到可以修改的地方。
类型检查与赋值检查：编译器会在编译阶段进行严格的类型检查和赋值检查。任何尝试给 `const` 变量赋新值的行为都会被捕获并报错。
```c++
const int AGE = 30;
AGE = 31; // 编译器会在此处报错：assignment of readonly variable ‘AGE’
```
这是编译器最直接的“守护”手段，在代码执行前就扼杀了潜在的错误。
b) `const` 修饰指针：指针的“指向性”与“指向的内容”的双重守护
`const` 修饰指针时，情况会变得更复杂有趣，需要区分是修饰指针本身，还是修饰指针指向的内容。
`const` 指针（指向常量）：
```c++
const int ptr_to_const;
```
这里的 `const` 修饰的是 `int`，意味着 `ptr_to_const` 指向的 `int` 值是不可修改的。编译器会检查任何试图通过 `ptr_to_const` 修改其指向的值的行为。
```c++
int x = 10;
const int ptr = &x
ptr = 20; // 编译器报错：assignment of readonly location 'ptr'
```
但是，指针 `ptr` 本身是可以被重新赋值指向其他 `const int` 的。
```c++
int y = 30;
ptr = &y // 合法
```
指向 `const` 的指针（指针本身是常量）：
```c++
int const const_ptr = &x
```
这里的 `const` 修饰的是 `int` 指针本身。这意味着 `const_ptr` 这个指针变量只能指向 `x`，它的值（指向的地址）是不能改变的。但是，它可以修改它所指向的 `int` 值（如果 `x` 本身不是 `const` 的话）。
```c++
int x = 10;
int const const_ptr = &x
const_ptr = 20; // 合法，修改了 x 的值
int y = 30;
const_ptr = &y // 编译器报错：assignment of readonly variable ‘const_ptr’
```
指向 `const` 的常量指针（指针本身和指向的内容都不可修改）：
```c++
const int const const_ptr_to_const = &x
```
结合以上两种情况，这个指针既不能修改它指向的值，也不能修改它自身指向的地址。
编译器通过解析 `const` 关键字在声明中的位置，准确地理解它修饰的是指针本身还是指向的内容，并在后续的代码生成阶段，对所有通过指针进行的写操作进行严格的检查。
c) `const` 修饰引用：引用的“绑定性”守护
`const` 修饰引用与 `const` 指针指向常量的情况类似。
```c++
const int& ref_to_const = x;
```
这里的 `ref_to_const` 是一个常量引用，意味着不能通过 `ref_to_const` 来修改 `x` 的值。编译器会阻止任何试图通过 `ref_to_const` 进行写操作的行为。
d) `const` 修饰成员函数：对象状态的守护者
在 C++ 类中，`const` 修饰成员函数是实现对象不可变性的重要手段。
```c++
class MyClass {
public:
int getValue() const {
return value; // 允许读取
// value = 10; // 编译器会报错：assignment of datamember ‘MyClass::value’ in readonly object
}
private:
int value;
};
```
一个 `const` 成员函数承诺：该函数不会修改对象的任何非 `mutable` 成员变量。
编译器实现这一承诺的方式是：
隐含的 `this` 指针为 `const`：当调用一个 `const` 成员函数时，编译器会向该函数传递一个指向 `const` 对象的 `this` 指针。这意味着，在 `const` 成员函数内部，`this>member` 和直接访问 `member` 都被视为对一个常量对象的成员的访问，因此不能进行修改操作。
禁止修改非 `mutable` 成员：编译器会严格检查 `const` 成员函数体内，是否存在对对象非 `mutable` 成员变量的写操作。一旦发现，就会报错。
e) `const` 修饰类对象：对象整体状态的不可变性
当一个对象被声明为 `const` 时，它的所有非 `mutable` 成员变量都相当于被保护起来，无法被修改。
```c++
const MyClass obj;
// obj.setValue(10); // 即使有 setValue 方法，如果不是 const 方法，也会编译错误
// obj.value = 20; // 如果 value 是 public 且非 mutable，此处也会编译错误
```
编译器会确保任何对 `const` 对象进行修改的操作（包括通过 `const` 成员函数进行尝试修改）都会被阻止。
4. 编译时优化与运行时行为：`const` 的深远影响
`const` 的意义远不止于编译时的检查。它还为编译器提供了重要的优化信息：
常量折叠 (Constant Folding)：如前所述，对于编译时常量，编译器可以直接将值替换到使用的地方，这可以减少内存访问和计算。
常量传播 (Constant Propagation)：编译器可以跟踪 `const` 变量的值，并在代码的后续部分直接使用这些已知的值进行优化。
死代码消除 (Dead Code Elimination)：如果一段代码的执行依赖于一个 `const` 变量的某个特定值，而该值在编译时就已知且不满足条件，那么这段代码可能被优化掉。
内联 (Inlining)：编译器可以更倾向于内联 `const` 函数，因为它们不修改对象状态，调用开销相对较小，且不会引入副作用。
5. `mutable` 关键字的配合：打破 `const` 的“枷锁”
在某些情况下，即使对象是 `const` 的，我们仍然希望允许修改对象的某些特定成员，例如用于缓存或同步的状态。这时 `mutable` 关键字就派上用场了。
```c++
class SharedResource {
public:
int readData() const {
// 如果 data 还没有被读取过，先进行一些初始化工作
if (!isDataLoaded) {
// ... 执行一些初始化 ...
data = 42;
isDataLoaded = true;
}
return data;
}
private:
int data;
mutable bool isDataLoaded = false; // mutable 允许在 const 函数中修改
};
```
`mutable` 关键字会告诉编译器，该成员变量即使在 `const` 对象或 `const` 成员函数中，也是允许被修改的。编译器在处理 `mutable` 成员时，会绕过 `const` 的严格检查。
总结：`const` 的多重守护机制
编译器实现 C/C++ 中的 `const` 功能，是一个多层次、多维度的过程：
1. 理解与声明：通过词法和语法分析，准确识别 `const` 关键字及其修饰的对象。
2. 编译时检查：对任何违反 `const` 承诺的赋值、修改操作进行严格的语法和语义检查，并在编译阶段报错。
3. 类型与指针的精细处理：区分 `const` 修饰指针本身还是指向的内容，对指针操作进行细致的编译时约束。
4. 成员函数与对象的约束：通过隐含的 `const` `this` 指针和成员访问限制，确保 `const` 成员函数不会修改对象状态，以及 `const` 对象整体的不可变性。
5. 优化基础：为编译器提供宝贵的优化线索，从而生成更高效的代码。
6. `mutable` 的灵活配合：允许在特定场景下，有控制地打破 `const` 的限制。
正是因为编译器在这些方面的高效运作，`const` 才成为了 C/C++ 程序员手中一把强大的工具，帮助我们编写出更加健壮、安全且易于维护的代码。它不仅仅是一个编译器指令，更是代码设计哲学的一部分，引导我们思考数据的生命周期和程序的行为模式。
在C/C++的世界里，`const` 并非只是一个简单的关键字，它更像一把锋利的守护之剑，承诺着数据的不可变性，为程序的稳定性和可维护性筑起一道坚实的壁垒。那么，这把剑究竟是如何被铸造和挥舞的呢？这背后，是编译器一系列精巧的设计和严密的执行。让我们深入剖析编译器如何实现 `const` 的强大功能。
1. `const` 的本质：一种约束，一种承诺
首先要明确，`const` 在 C/C++ 中最核心的功能是一种“约束”，是对程序员的一种“承诺”。它告诉编译器和后来的开发者：“我保证这个变量的值在它的生命周期内不会被修改。” 编译器收到这个承诺后，便开始履行自己的职责：通过一系列检查和优化，确保这个承诺不被违背。
2. 编译器如何识别和理解 `const`：词法分析与语法分析的功劳
这一切的起点，是编译器在处理源代码时的第一步：词法分析。
词法分析器 (Lexer/Scanner)：当编译器读取源代码时，词法分析器会将其分解成一个个有意义的“符号”或“Token”。在这个过程中，`const` 关键字会被识别为一个特殊的 Token，它拥有特定的类型和属性。
语法分析器 (Parser)：接下来，语法分析器会根据 C/C++ 的语法规则，将这些 Token 组织起来，构建出抽象语法树 (Abstract Syntax Tree, AST)。在 AST 中，`const` 关键字会成为某个变量声明的属性，例如，`const int MAX_VALUE = 100;` 会在 AST 中被表示为一个整型变量声明，其附加属性是 `const`。
通过这两个阶段，编译器就彻底理解了 `const` 的存在及其所修饰的对象。
3. `const` 的具体实现策略：编译器如何“守护”
编译器并非仅仅认识到 `const`，而是会根据 `const` 修饰的对象类型和上下文，采取不同的具体实现策略：
a) `const` 修饰基本类型变量：编译时检查的利剑
当 `const` 修饰一个基本类型（如 `int`, `float`, `char` 等）的变量时，编译器会将其视为一个编译时常量。
字面量化/内联化：在许多情况下，编译器会直接将 `const` 变量的值替换到使用它的地方，就像直接使用字面量一样。例如：
```c++
const int MAX_SIZE = 50;
int arr[MAX_SIZE]; // 编译器会将 MAX_SIZE 直接替换为 50
```
这不仅仅是一种优化，更是一种“守护”——如果编译器在其他地方试图修改 `MAX_SIZE`，它会因为 `MAX_SIZE` 被替换成了字面量而找不到可以修改的地方。
类型检查与赋值检查：编译器会在编译阶段进行严格的类型检查和赋值检查。任何尝试给 `const` 变量赋新值的行为都会被捕获并报错。
```c++
const int AGE = 30;
AGE = 31; // 编译器会在此处报错：assignment of readonly variable ‘AGE’
```
这是编译器最直接的“守护”手段，在代码执行前就扼杀了潜在的错误。
b) `const` 修饰指针：指针的“指向性”与“指向的内容”的双重守护
`const` 修饰指针时，情况会变得更复杂有趣，需要区分是修饰指针本身，还是修饰指针指向的内容。
`const` 指针（指向常量）：
```c++
const int ptr_to_const;
```
这里的 `const` 修饰的是 `int`，意味着 `ptr_to_const` 指向的 `int` 值是不可修改的。编译器会检查任何试图通过 `ptr_to_const` 修改其指向的值的行为。
```c++
int x = 10;
const int ptr = &x
ptr = 20; // 编译器报错：assignment of readonly location 'ptr'
```
但是，指针 `ptr` 本身是可以被重新赋值指向其他 `const int` 的。
```c++
int y = 30;
ptr = &y // 合法
```
指向 `const` 的指针（指针本身是常量）：
```c++
int const const_ptr = &x
```
这里的 `const` 修饰的是 `int` 指针本身。这意味着 `const_ptr` 这个指针变量只能指向 `x`，它的值（指向的地址）是不能改变的。但是，它可以修改它所指向的 `int` 值（如果 `x` 本身不是 `const` 的话）。
```c++
int x = 10;
int const const_ptr = &x
const_ptr = 20; // 合法，修改了 x 的值
int y = 30;
const_ptr = &y // 编译器报错：assignment of readonly variable ‘const_ptr’
```
指向 `const` 的常量指针（指针本身和指向的内容都不可修改）：
```c++
const int const const_ptr_to_const = &x
```
结合以上两种情况，这个指针既不能修改它指向的值，也不能修改它自身指向的地址。
编译器通过解析 `const` 关键字在声明中的位置，准确地理解它修饰的是指针本身还是指向的内容，并在后续的代码生成阶段，对所有通过指针进行的写操作进行严格的检查。
c) `const` 修饰引用：引用的“绑定性”守护
`const` 修饰引用与 `const` 指针指向常量的情况类似。
```c++
const int& ref_to_const = x;
```
这里的 `ref_to_const` 是一个常量引用，意味着不能通过 `ref_to_const` 来修改 `x` 的值。编译器会阻止任何试图通过 `ref_to_const` 进行写操作的行为。
d) `const` 修饰成员函数：对象状态的守护者
在 C++ 类中，`const` 修饰成员函数是实现对象不可变性的重要手段。
```c++
class MyClass {
public:
int getValue() const {
return value; // 允许读取
// value = 10; // 编译器会报错：assignment of datamember ‘MyClass::value’ in readonly object
}
private:
int value;
};
```
一个 `const` 成员函数承诺：该函数不会修改对象的任何非 `mutable` 成员变量。
编译器实现这一承诺的方式是：
隐含的 `this` 指针为 `const`：当调用一个 `const` 成员函数时，编译器会向该函数传递一个指向 `const` 对象的 `this` 指针。这意味着，在 `const` 成员函数内部，`this>member` 和直接访问 `member` 都被视为对一个常量对象的成员的访问，因此不能进行修改操作。
禁止修改非 `mutable` 成员：编译器会严格检查 `const` 成员函数体内，是否存在对对象非 `mutable` 成员变量的写操作。一旦发现，就会报错。
e) `const` 修饰类对象：对象整体状态的不可变性
当一个对象被声明为 `const` 时，它的所有非 `mutable` 成员变量都相当于被保护起来，无法被修改。
```c++
const MyClass obj;
// obj.setValue(10); // 即使有 setValue 方法，如果不是 const 方法，也会编译错误
// obj.value = 20; // 如果 value 是 public 且非 mutable，此处也会编译错误
```
编译器会确保任何对 `const` 对象进行修改的操作（包括通过 `const` 成员函数进行尝试修改）都会被阻止。
4. 编译时优化与运行时行为：`const` 的深远影响
`const` 的意义远不止于编译时的检查。它还为编译器提供了重要的优化信息：
常量折叠 (Constant Folding)：如前所述，对于编译时常量，编译器可以直接将值替换到使用的地方，这可以减少内存访问和计算。
常量传播 (Constant Propagation)：编译器可以跟踪 `const` 变量的值，并在代码的后续部分直接使用这些已知的值进行优化。
死代码消除 (Dead Code Elimination)：如果一段代码的执行依赖于一个 `const` 变量的某个特定值，而该值在编译时就已知且不满足条件，那么这段代码可能被优化掉。
内联 (Inlining)：编译器可以更倾向于内联 `const` 函数，因为它们不修改对象状态，调用开销相对较小，且不会引入副作用。
5. `mutable` 关键字的配合：打破 `const` 的“枷锁”
在某些情况下，即使对象是 `const` 的，我们仍然希望允许修改对象的某些特定成员，例如用于缓存或同步的状态。这时 `mutable` 关键字就派上用场了。
```c++
class SharedResource {
public:
int readData() const {
// 如果 data 还没有被读取过，先进行一些初始化工作
if (!isDataLoaded) {
// ... 执行一些初始化 ...
data = 42;
isDataLoaded = true;
}
return data;
}
private:
int data;
mutable bool isDataLoaded = false; // mutable 允许在 const 函数中修改
};
```
`mutable` 关键字会告诉编译器，该成员变量即使在 `const` 对象或 `const` 成员函数中，也是允许被修改的。编译器在处理 `mutable` 成员时，会绕过 `const` 的严格检查。
总结：`const` 的多重守护机制
编译器实现 C/C++ 中的 `const` 功能，是一个多层次、多维度的过程：
1. 理解与声明：通过词法和语法分析，准确识别 `const` 关键字及其修饰的对象。
2. 编译时检查：对任何违反 `const` 承诺的赋值、修改操作进行严格的语法和语义检查，并在编译阶段报错。
3. 类型与指针的精细处理：区分 `const` 修饰指针本身还是指向的内容，对指针操作进行细致的编译时约束。
4. 成员函数与对象的约束：通过隐含的 `const` `this` 指针和成员访问限制，确保 `const` 成员函数不会修改对象状态，以及 `const` 对象整体的不可变性。
5. 优化基础：为编译器提供宝贵的优化线索，从而生成更高效的代码。
6. `mutable` 的灵活配合：允许在特定场景下，有控制地打破 `const` 的限制。
正是因为编译器在这些方面的高效运作，`const` 才成为了 C/C++ 程序员手中一把强大的工具，帮助我们编写出更加健壮、安全且易于维护的代码。它不仅仅是一个编译器指令，更是代码设计哲学的一部分，引导我们思考数据的生命周期和程序的行为模式。
网友意见
各不相同吧，比如arm-none-eabi-gcc会把const数据放进.text段, 不加const进.data段。前者只占目标器件的flash空间，后者要同时占用flash和ram空间，由启动代码从flash复制到ram。既然放在flash空间，写操作自然无效了。
但是avr-gcc则不管加不加const都一样只会放在.data，加了const只能起到对const变量写入时编译警告/报错的作用。如果要做到和上面一样的效果，需要加专门的关键字PROGMEM，并且读操作也要改用专门的api实现。
至于题主这个，应该是操作系统实现的。当年的dos没有这个限制，ram都是可写的，有空了试试纯dos下对const变量能否写入。
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