C语言const是如何保证变量不被修改的?

这小段文章要理清楚的是，在C语言中，$const$是如何保证变量不被修改的？

我们可以想到两种方式：

第一种，由编译器来阻止修改$const$变量的语句，让这种程序不能通过编译；

第二种，由操作系统来阻止，即把$const$ 的内存地址访问权限标记为“只读”，一旦运行中的程序试图修改它，就会产生异常，终止进程。

上面想到的这两种方式，都能达到让某一变量的值不被修改的目的，那么究竟是哪一种呢？我们写两个例子来看一看。

先来看一个简单的例子，源文件const.c：

#include <stdio.h>
const int a=10;
int main()
{
	int *p=&a;
	printf("initial: %d\n",a);
	*p=1;
	printf("modified: %d\n",a);
	return 0;
}

编译，会收到一个 warning：

$ gcc -o const1 const1.c
const.c: In function ‘main’:
const.c:7:12: warning: initialization discards ‘const’ qualifier from pointer target type [-Wdiscarded-qualifiers]
     int *p=&a;

忽略之，运行程序：

$ ./const1
initial: 10
Segmentation fault (core dumped)

运行出错了，报错是“segmentation fault”，即“段错误”，它是在提醒我们，程序中用错误的权限访问了内存某区域。这说明，操作系统把变量$a$加载到了一段只读内存区域之中，因此对该区域地址的写操作将引发异常，这是由操作系统的内存保护机制决定的。

也就是说，在这段程序里，$const$的只读属性是由操作系统来实现的，而不是由编译器来实现的（编译器只抛出了warning，并没有阻止编译通过）。

这对吗？不完全对，我们来看另一个例子，源文件const2.c：

#include <stdio.h>
int main()
{
	const int a=10;
	int *p=&a;
	printf("initial: %d\n",a);
	*p=1;
	printf("modified: %d\n",a);
	return 0;
}

编译，还是收到同样的warning：

$ gcc -o const2 const2.c
const.c: In function ‘main’:
const.c:6:12: warning: initialization discards ‘const’ qualifier from pointer target type [-Wdiscarded-qualifiers]
     int *p=&a;

忽略之，运行程序：

./const2
initial: 10
modified: 1

咦？怎么成功运行了，而且$a$的值还被顺利修改了？

结合以上两个例子，我们可以得出以下结论：

$const$只是C语言中的一种对变量的修饰符，例子中的$a$，与其说是“常量”，不如说是“不打算修改的变量”。它只是语法上的一种声明，它的作用就是告诉编译器“我不想修改它”，因此编译器会从语法上检查程序中是否有修改它的语句（例如“a=1;”），一旦发现这种“违背初衷”的语句，就会报错阻止你。

然而，编译器所阻止的仅仅是对$a$这个符号对应值的修改而已，却并不阻止对这个地址的值的修改，源文件“const2.c”之所以能顺利通过编译且正常运行，就是因为它利用一个名字不叫$a$的指针指向它，从而绕过了编译器的语法检查。

打个比方，周树人的笔名叫鲁迅，警察只知道要抓鲁迅，这时候他就可以用一句“你们抓鲁迅跟我周树人有什么关系？”来骗过他们。

从这个角度来说，$const$的作用是靠编译器仅仅从语法检查来实现的，因此存在运行时的漏洞。

那么为什么“const1.c”就不能正常运行呢？

仔细看这两个源程序，区别仅仅在于，在const1.c中，$a$被声明为全局变量，而在const2.c中，它被声明为main函数中的一个局部变量。全局变量与局部变量的区别在于，前者会在程序开始运行之前就被加载，加载后会一直留在内存中，且加载的位置在数据区，直到程序退出；后者只有在运行到它时才会被加载，且加载的位置是运行时的栈帧，一旦超出作用于就会被回收。

因此，编译器会对被声明为全局变量的$const\ int\ a$进行优化，把它放到只读内存区内，这一内存区的权限是$read\ only$，权限信息由操作系统所维护的段表来保存，程序每访问某地址时，操作系统都会检测其访问权限是否合法。const2.c中企图用“写”的方式来访问“只读”的段，自然会报出“segment fault"的错了。

从这个角度来说，当$a$是全局变量时，编译器把原本只是“不打算修改的变量”优化成了“真正的常量”，然后交给操作系统去维持其不变属性。

综上所述，C的初衷只是让编译器去保证$const$的不变属性，这一属性有漏洞（可以用指针去骗过编译器修改它），所以当const修饰的对象是全局变量时（全局变量很重要，因为很多源文件都要访问它，牵一发而动全身，所以不应轻易更改），编译器知道自己的能力有限，只能管得了编译，管不了运行时如何，所以优化了语句把它编程真正的常量，让操作系统的内存保护功能来履行这一职责。

这一优化，并不是C规定的，而是编译器厂商出于实际应用的考虑作出的选择。

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