浅谈C++ const

引入

分别考虑以下代码：

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    const int a = 1;
    const_cast<int &>(a) = 42;
    std::printf("%d\n", a);
}

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    const int a = std::rand();
    const_cast<int &>(a) = 42;
    std::printf("%d\n", a);
}

请问两次代码分别会输出什么？

运行后不难发现，前者会输出42，后者则输出1。事实上，两者逻辑几乎一致：

1. 定义一个常量a并初始化
2. 强制修改a的值
3. 输出a

那为什么行为上存在差异呢？

汇编分析

我们通过Compiler Explorer查看二者的汇编代码（省略部分代码），如下：

main:
        ; ...
        lea     rdi, [rip + .L.str] ; 传递printf第一个参数
        mov     esi, 1 ; 传递printf的第二个参数
        xor     eax, eax  ; 将eax寄存器清零，便于printf调用
        call    printf ; 调用printf
        ; 以上代码相当于printf("%d\n", 1);
        ; ...

.L.str:
        .asciz  "%d\n"

main:
        ; ...
        call    rand ; 调用rand函数
        lea     rdi, [rip + .L.str] ; 传递printf第一个参数
        mov     esi, 42 ; 传递printf的第二个参数
        xor     eax, eax ; 将eax寄存器清零，便于printf调用
        call    printf ; 调用printf
        ; 以上代码相当于printf("%d\n, 42);
        ; ...

.L.str:
        .asciz  "%d\n" ; 定义格式化字符串

观察到，编译器忽略了a的内存分配，并直接使用Magic Number作为A的值。

符号表替换

我们先分析代码A。通过查阅资料可知，编译器会进行符号表替换优化，具体来说，会将所有编译期常量替换为Magic Number，如以下代码：

const int a = 114514;
int b[a];

会被优化为

int b[114514];

这一优化发生在AST阶段，位于预处理之后，汇编之前。那么回到刚才的代码，

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    const int a = 1;
    const_cast<int &>(a) = 42;
    std::printf("%d\n", a);
}

显然，按照刚才的逻辑，程序会被优化成这样：

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    const int a = 1;
    const_cast<int &>(a) = 42;
    std::printf("%d\n", 1);
}

那么，此时显然

const int a = 1;
const_cast<int &>(a) = 42;

已经没有任何意义，那么编译器会根据as-if原则（编译器可以自由地改变程序，只要可观察行为与原始程序一致。），这段代码就会被优化。

最终被优化为：

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    std::printf("%d\n", 1);
}

代码B分析

接下来考虑代码B。我们知道，符号表替换适用于编译期常量，显然对于代码B不适用。接下来，编译器会考虑将变量a分配至.rodata段（只读数据段）。然而很不幸，上述方法不适用于局部变量。因此，编译器只能像普通变量一样处理a，只不过在编译器进行检查。

但是，const_cast会拒绝编译器检查，相当于告诉编译器“我保证这段代码是安全的”。于是，编译器检查通过后，源代码

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    const int a = std::rand();
    const_cast<int &>(a) = 42;
    std::printf("%d\n", a);
}

会被处理为像这样：

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    int a = std::rand();
    a = 42;
    std::printf("%d\n", a);
}

此时，编译器会进行数据流分析最后发现：

唯一一次获取a的值，即printf时，a的值是确定的，为42。因此，编译器会认为a是没有意义的，优化成这样：

#include <bits/stdc++.h>

int main() {
    std::rand();
    std::printf("%d\n", 42);
}

请注意，此处的std::rand是有副作用的，也就是说，执行std::rand会改变程序状态。因此，编译器不会删除std::rand的调用，但是会忽略其返回值。

写在最后

永远不要尝试修改一个常量！这在C++中是未定义行为，也就是说，这种操作的结果是不确定的，编译器可以对未定义行为进行任何处理。上述分析只是当前主流编译器的普遍优化方法。

参考

1. ISO/IEC 14882:2024
2. https://godbolt.org/
3. https://chat.deepseek.com/