【学习笔记】C++ 常量折叠原理和验证
2024-10-19 23:35:35
以下的代码很有意思，在相同时刻，相同的内存地址，数据居然会不一样。
#include <iostream>
int main(void)
{
const int const_val = 3;
int *nomal_pot = (int*)&const_val;
*nomal_pot = 9;
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
printf("nomal_pot: 0x%p -> %d\n", nomal_pot, *nomal_pot);
return 0;
}
运行结果：
const_val: 0x002DF7B0 -> 3
nomal_pot: 0x002DF7B0 -> 9造成如此神奇的现象，原因是因为 C++ 常量折叠的特性（C没有），这跟 C++ 编译器相关，在编译阶段，会将代码中所有引用该常量的地方，都会替换为常量的初始值，就像宏定义一样，那么上述代码中的第一句代码：
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);会被编译器修改等同为以下代码（实际以汇编体现）：
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, 3);与宏定义不同的是，编译会为常量 const_val 分配内存空间，并且该内存空间处于栈空间，并不是只读的，因此在运行时仍可以通过以下代码修改该内存空间的数据：
int *nomal_pot = (int*)&const_val;
*nomal_pot = 9;这就出现了同一时间，在相同的 “内存地址” 中输出了不同的值。
以上两点可以通过VS2017查看反汇编的汇编代码即可确认：
#include <iostream>
int main(void)
{
00EA18C0 push ebp
00EA18C1 mov ebp,esp
00EA18C3 sub esp,0DCh
00EA18C9 push ebx
00EA18CA push esi
00EA18CB push edi
00EA18CC lea edi,[ebp-0DCh]
00EA18D2 mov ecx,37h
00EA18D7 mov eax,0CCCCCCCCh
00EA18DC rep stos dword ptr es:[edi]
00EA18DE mov eax,dword ptr [__security_cookie (0EAA004h)]
00EA18E3 xor eax,ebp
00EA18E5 mov dword ptr [ebp-4],eax
00EA18E8 mov ecx,offset _2EA97ABB_consoleapplicationtest@cpp (0EAC027h)
00EA18ED call @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (0EA121Ch)
const int const_val = 3;
00EA18F2 mov dword ptr [const_val],3 // 常量赋值为初始值 3
int *nomal_pot = (int*)&const_val;
00EA18F9 lea eax,[const_val] // 提取常量所在的内存地址
00EA18FC mov dword ptr [nomal_pot],eax // 赋给 nomal_pot 指针
*nomal_pot = 9;
00EA18FF mov eax,dword ptr [nomal_pot] // 提取 nomal_pot 指向的内存地址
00EA1902 mov dword ptr [eax],9 // 往该内存地址写入值 9 (即 const_val 的地址)
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
00EA1908 push 3 // 这里可以看到 const_val 直接被替换为初始值 3，并未从地址取值
00EA190A lea eax,[const_val]
00EA190D push eax
00EA190E push offset string "const_val: 0x%p -> %d\n" (0EA7B30h)
00EA1913 call _printf (0EA104Bh)
00EA1918 add esp,0Ch
printf("nomal_pot: 0x%p -> %d\n", nomal_pot, *nomal_pot);
00EA191B mov eax,dword ptr [nomal_pot] // 提取 nomal_pot 指向的内存地址
00EA191E mov ecx,dword ptr [eax] // 从该内存地址提取内容，即 9 而非初始值 3
00EA1920 push ecx
00EA1921 mov edx,dword ptr [nomal_pot]
00EA1924 push edx
00EA1925 push offset string "nomal_pot: 0x%p -> %d\n" (0EA7C04h)
00EA192A call _printf (0EA104Bh)
00EA192F add esp,0Ch
return 0;
00EA1932 xor eax,eax
}那么以下代码，你们觉得 add_val 输出的结果会是什么呢？
#include <iostream>
int main(void)
{
const int const_val = 3;
int *nomal_pot = (int*)&const_val;
*nomal_pot = 9;
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
printf("nomal_pot: 0x%p -> %d\n", nomal_pot, *nomal_pot);
int add_val = const_val + *nomal_pot;
printf("add_val:%d\n", add_val);
return 0;
}
按照上述分析，源码中所有对 const_val 的引用都会在编译期间替换为初始值，而 const_val 所在的内存空间是可以在运行时被修改，因此正确的答案应为 3 + 9 = 12
const_val: 0x0036FDC4 -> 3
nomal_pot: 0x0036FDC4 -> 9
add_val:12对应的汇编代码：
#include <iostream>
int main(void)
{
001218C0 push ebp
001218C1 mov ebp,esp
001218C3 sub esp,0E8h
001218C9 push ebx
001218CA push esi
001218CB push edi
001218CC lea edi,[ebp-0E8h]
001218D2 mov ecx,3Ah
001218D7 mov eax,0CCCCCCCCh
001218DC rep stos dword ptr es:[edi]
001218DE mov eax,dword ptr [__security_cookie (012A004h)]
001218E3 xor eax,ebp
001218E5 mov dword ptr [ebp-4],eax
001218E8 mov ecx,offset _2EA97ABB_consoleapplicationtest@cpp (012C027h)
001218ED call @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (012121Ch)
const int const_val = 3;
001218F2 mov dword ptr [const_val],3
int *nomal_pot = (int*)&const_val;
001218F9 lea eax,[const_val]
001218FC mov dword ptr [nomal_pot],eax
*nomal_pot = 9;
001218FF mov eax,dword ptr [nomal_pot]
00121902 mov dword ptr [eax],9
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
00121908 push 3
0012190A lea eax,[const_val]
0012190D push eax
0012190E push offset string "const_val: 0x%p -> %d\n" (0127B30h)
00121913 call _printf (012104Bh)
00121918 add esp,0Ch
printf("nomal_pot: 0x%p -> %d\n", nomal_pot, *nomal_pot);
0012191B mov eax,dword ptr [nomal_pot]
0012191E mov ecx,dword ptr [eax]
00121920 push ecx
00121921 mov edx,dword ptr [nomal_pot]
00121924 push edx
00121925 push offset string "nomal_pot: 0x%p -> %d\n" (0127C04h)
0012192A call _printf (012104Bh)
0012192F add esp,0Ch
int add_val = const_val + *nomal_pot;
00121932 mov eax,dword ptr [nomal_pot] // 提取 nomal_pot 所指向的内存地址
00121935 mov ecx,dword ptr [eax] // 从该内存地址中提取数值(即9)
00121937 add ecx,3 // 将该数值与 3 相加（即 9 + 3）
0012193A mov dword ptr [add_val],ecx // 将结果写入 add_val (即 12)
printf("add_val:%d\n", add_val);
0012193D mov eax,dword ptr [add_val]
00121940 push eax
00121941 push offset string "add_val:%d\n" (0127B48h)
00121946 call _printf (012104Bh)
0012194B add esp,8
return 0;
0012194E xor eax,eax
}那再略微修改一下，const 增加 volatile 修饰符，输出结果会是一样吗？
#include <iostream>
int main(void)
{
volatile const int const_val = 3; // 增加 volatile 修饰符
int *nomal_pot = (int*)&const_val;
*nomal_pot = 9;
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
printf("nomal_pot: 0x%p -> %d\n", nomal_pot, *nomal_pot);
int add_val = const_val + *nomal_pot;
printf("add_val:%d\n", add_val);
return 0;
}
输出结果：
const_val: 0x0039F8F8 -> 9
nomal_pot: 0x0039F8F8 -> 9
add_val:18原因是因为经过 volatile 修饰的变量会明确让编译器编译代码时，每次都要求生成的汇编语句都是从该变量的地址中取出数据，而不是用常量值替代，这个可以通过反汇编证实这一点：
差异的点：
// 原来的 ------------------------------------------------------------------------
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
00121908 push 3 // 这里可以看到 const_val 直接被替换为初始值 3，并未从地址取值
0012190A lea eax,[const_val]
0012190D push eax
0012190E push offset string "const_val: 0x%p -> %d\n" (0127B30h)
00121913 call _printf (012104Bh)
00121918 add esp,0Ch
......
int add_val = const_val + *nomal_pot;
00121932 mov eax,dword ptr [nomal_pot] // 提取 nomal_pot 所指向的内存地址
00121935 mov ecx,dword ptr [eax] // 从该内存地址中提取数值(即9)
00121937 add ecx,3 // 将该数值与 3 相加（即 9 + 3）
0012193A mov dword ptr [add_val],ecx // 将结果写入 add_val (即 12)
// 现在的 ------------------------------------------------------------------------
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
01151908 mov eax,dword ptr [const_val] // 注意，这里改从该内存地址取值
0115190B push eax
0115190C lea ecx,[const_val]
0115190F push ecx
01151910 push offset string "const_val: 0x%p -> %d\n" (01157B30h)
01151915 call _printf (0115104Bh)
0115191A add esp,0Ch
......
int add_val = const_val + *nomal_pot;
01151934 mov eax,dword ptr [const_val] // 提取 const_val 所指向的内存地址
01151937 mov ecx,dword ptr [nomal_pot] // 提取 nomal_pot 所指向的内存地址
0115193A add eax,dword ptr [ecx] // 注意，将两者数据相加(即 9 + 9)
0115193C mov dword ptr [add_val],eax // 将结果写入到 add_val (即 18)完整汇编：
#include <iostream>
int main(void)
{
011518C0 push ebp
011518C1 mov ebp,esp
011518C3 sub esp,0E8h
011518C9 push ebx
011518CA push esi
011518CB push edi
011518CC lea edi,[ebp-0E8h]
011518D2 mov ecx,3Ah
011518D7 mov eax,0CCCCCCCCh
011518DC rep stos dword ptr es:[edi]
011518DE mov eax,dword ptr [__security_cookie (0115A004h)]
011518E3 xor eax,ebp
011518E5 mov dword ptr [ebp-4],eax
011518E8 mov ecx,offset _2EA97ABB_consoleapplicationtest@cpp (0115C027h)
011518ED call @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (0115121Ch)
volatile const int const_val = 3;
011518F2 mov dword ptr [const_val],3
int *nomal_pot = (int*)&const_val;
011518F9 lea eax,[const_val]
011518FC mov dword ptr [nomal_pot],eax
*nomal_pot = 9;
011518FF mov eax,dword ptr [nomal_pot]
01151902 mov dword ptr [eax],9
printf("const_val: 0x%p -> %d\n", &const_val, const_val);
01151908 mov eax,dword ptr [const_val]
0115190B push eax
0115190C lea ecx,[const_val]
0115190F push ecx
01151910 push offset string "const_val: 0x%p -> %d\n" (01157B30h)
01151915 call _printf (0115104Bh)
0115191A add esp,0Ch
printf("nomal_pot: 0x%p -> %d\n", nomal_pot, *nomal_pot);
0115191D mov eax,dword ptr [nomal_pot]
01151920 mov ecx,dword ptr [eax]
01151922 push ecx
01151923 mov edx,dword ptr [nomal_pot]
01151926 push edx
01151927 push offset string "nomal_pot: 0x%p -> %d\n" (01157C04h)
0115192C call _printf (0115104Bh)
01151931 add esp,0Ch
int add_val = const_val + *nomal_pot;
01151934 mov eax,dword ptr [const_val]
01151937 mov ecx,dword ptr [nomal_pot]
0115193A add eax,dword ptr [ecx]
0115193C mov dword ptr [add_val],eax
printf("add_val:%d\n", add_val);
0115193F mov eax,dword ptr [add_val]
01151942 push eax
01151943 push offset string "add_val:%d\n" (01157B48h)
01151948 call _printf (0115104Bh)
0115194D add esp,8
return 0;
01151950 xor eax,eax
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