C++的常量折叠（一）
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。
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i 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 *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）
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：
1 --- d:\cv_projects\commontest\commontest\commontest.cpp ------------------------ 2 #include <stdio.h> 3 int main() 4 { 5 01311380 push ebp 6 01311381 mov ebp,esp 7 01311383 sub esp,114h 8 01311389 push ebx 9 0131138A push esi 10 0131138B push edi 11 0131138C lea edi,[ebp-114h] 12 01311392 mov ecx,45h 13 01311397 mov eax,0CCCCCCCCh 14 0131139C rep stos dword ptr es:[edi] 15 int i0 = 11; 16 0131139E mov dword ptr [i0],0Bh 17 18 const int i = 0; //定义常量i 19 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 20 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 21 013113AC lea eax,[i] 22 013113AF mov dword ptr [j],eax 23 *j = 1; //对j指向的内存进行修改 24 013113B2 mov eax,dword ptr [j] 25 013113B5 mov dword ptr [eax],1 26 printf("0x%p\n0x%p\n%d\n%d\n",&i,j,i,*j); //观看实验效果 27 013113BB mov esi,esp 28 013113BD mov eax,dword ptr [j] 29 013113C0 mov ecx,dword ptr [eax] 30 013113C2 push ecx 31 013113C3 push 0 32 013113C5 mov edx,dword ptr [j] 33 013113C8 push edx 34 013113C9 lea eax,[i] 35 013113CC push eax 36 013113CD push offset string "0x%p\n0x%p\n%d\n%d\n" (131573Ch) 37 013113D2 call dword ptr [__imp__printf (13182B0h)] 38 013113D8 add esp,14h 39 013113DB cmp esi,esp 40 013113DD call @ILT+295(__RTC_CheckEsp) (131112Ch) 41 42 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 43 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 44 int ik = ck; 45 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 46 47 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 48 013113F0 mov dword ptr [i1],5 49 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 50 013113F7 mov eax,dword ptr [i1] 51 013113FA mov dword ptr [i2],eax 52 53 return 0; 54 013113FD xor eax,eax 55 }
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
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。
