C 语言 const 修饰指针的用法

文不如图,图不如表。

杨同学说近来面试的一些候选人连 const 的用法也说不全,很沮丧。我觉得有必要整理下用法造福社会。;)

咱们就来聊一聊 const 修饰指针变量的用法,不讲基础,只讲理解和记忆。

const 修饰指针的八种形式

C 语言中一个典型的指针变量声明语句如下图所示(int * p;)。

image-20201024102837113

根据上图所标示可知,const 有三个插入的位置。进一步推导,每个图中所示位置对应两种情况,插入 const 或者不插入 const,最终可以得到 8 种不同的表达方式(2^3 = 2 * 2 * 2)。

序号 D0 D1 D2 语法
0 0 0 0 int * p0;
1 1 0 0 const int * p1;
2 0 1 0 int const * p2;
3 1 1 0 const int const * p3;
4 0 0 1 int * const p4;
5 1 0 1 const int * const p5;
6 0 1 1 int const * const p6;
7 1 1 1 const int const * const p7;

注1:表中的 Dx 与图中的标号一一对应。

注2:部分声明语句需要在声明时赋初值,这里未进行标示

这八种表示方法有什么区别?p0 - p7 都适用于哪些场景?且看后文一一道来。

指针变量的读写权限控制

一个指针变量可以表示两层含义指针本身p)和其所指向的数据内容*p),我们用 p 来访问指针本身,而用 *p 访问指针所指向的内容。默认情况下,p*p 均是可读写的。但是在引入 const 关键字修饰后,p*p 就多了一个只读R)权限控制(作者按:C 语言变量只支持只读可读写两种权限,不存在只写的情况)。综合起来有如下四种情况:

*p p 语法
R/W R/W int * p0;
R/W R ???
R R ???
R R/W ???

对于最简单的情况 p0,我们知道 p*p 都是 R/W 属性,可读可写,这个是最常用的,表示方法也是最简洁的(符合直觉)。但对于 p1 - p7 似乎就多有容易混淆之处。不多啰嗦,咱们先把结论放出来再说。如下表所示,不同声明语句的情况下, p*pR/W 属性不尽相同。

序号 语法 *p p
0 int * p0; R/W R/W
1 const int * p1; R R/W
2 int const * p2; R R/W
3 const int const * p3; R R/W
4 int * const p4; R/W R
5 const int * const p5; R R
6 int const * const p6; R R
7 const int const * const p7; R R

看似很乱对吗?实则不然。当我们再把各个情况按照 *pp 的访问权限进行划分时,规律就浮出了水面。如下图所示:

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解释说明:

  1. 其中 R RR R/W 两行中各自包含的三种表示方法其实是等价的,p3、p5、p7 完全相同,p2、p4、p6 完全相同。
  2. 以星号为界,出现在星号前的 const 修饰指针指向的数据,出现在星号后的 const 修饰指针变量本身(离谁近就修饰谁)
  3. const intint constconst int const 三者等价,其中 const int const 这种用法有冗余,AC5 编译器会报一个警告(#83-D: type qualifier specified more than once),不同表示方法的等价性引起了一定程度上的表意混淆,需要注意区分
  4. const 修饰指针本身时(p 指针的属性为 R)该指针必须在声明时进行初始化(编译时确定),为了行文方便,前文表格中未进行标示
  5. 指针运算属于运行时赋值操作的一种(例如:p++),属于写操作,故此只有具备 R/W 属性的指针才可进行指针的运行时赋值(表中的 p0 - p3)

结合上述解释进一步简化,等价的声明只取之中可得到下表。删繁就简后和谐了,4 种权限组合方式分别对应 4 种常用的表示方法。

*p p 语法
R/W R/W int * p0;
R/W R int * const p1;
R R const int * const p5;
R R/W const int * p4;

const 的作用知多少?

前文的读写权限控制其实只是 const 的表层含义,在实战中 const 的作用主要有以下两种:

  1. 利用编译器进行代码检查,在编译阶段进行数据访问的排错(减少 bug)
  2. 根据修饰的内容不同控制编译器在编译过程中变量存储区域的分配

其中利用编译器对 const 的功能支持限制读写访问很好理解,一旦不匹配程序无法通过编译,这里不再展开。下面通过一个实例来看一下存储区分配的实例。

对比如下四种声明语句的区别:

char *  str0 __attribute__((used)) = "aaaa";
const char * str1 __attribute__((used)) = "bbbb";
char * const str2 __attribute__((used)) = "cccc";
const char * const str3 __attribute__((used)) = "dddd";

调试结果如下图所示,利用 str0 - str3 可以分别访问其指向的字符串。查看 &str0 - &str3 可以观察到指针变量存储的位置, str0、str1 存储在 RAM 中,str2、str3 存储在 ROM 中。

rect6096

移除声明语句编译,对比资源占用结果,进行对比验证,结果符合图示标示。

Program Size: Code=856 RO-data=584 RW-data=20 ZI-data=16388  (全)

Program Size: Code=856 RO-data=576 RW-data=16 ZI-data=16384  (移除 str0,RO 少 8 字节,RW 少 4 字节)
Program Size: Code=856 RO-data=576 RW-data=16 ZI-data=16384  (移除 str1,RO 少 8 字节,RW 少 4 字节)
Program Size: Code=856 RO-data=572 RW-data=20 ZI-data=16388  (移除 str2,RO 少 12 字节)
Program Size: Code=856 RO-data=572 RW-data=20 ZI-data=16388  (移除 str3,RO 少 12 字节)

注:ZI data 变化是由于编译器按 8 字节对齐数据自动进行 padding 造成的,str0 和 str1 的声明影响了 ZI-Data 的起始地址,这里不用理会(Padding 的字节数记录到了 ZI data 中)。

    Exec Addr    Load Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x20000000   0x0000059c   0x00000008   Data   RW            8    .data               main.o
    0x20000008   0x000005a4   0x00000004   Data   RW          100    .data               a.o
    0x2000000c   0x000005a8   0x00000008   Data   RW          245    .data               b.o
    0x20000014   0x000005b0   0x00000004   PAD
    0x20000018        -       0x00004000   Zero   RW          149    STACK               arm_startup.o

分析:

  1. str0 & str1 & str2 & str3 在资源耗费上相同(都是 12 个字节),不同的是 str0 与 str1 的数据会在运行时复制到 RAM 中(RW-DATA (ROM) -> RW-DARTA (RAM))
  2. const 修饰指针类型时 (*p 为只读),主要作用是防止指针所指向区域的数据由于编程人员疏忽而误篡改,又分为两种情况需要注意:
    • *p 位于 RAM 区,数据本身支持随机写入,防止发生逻辑错误使得程序运行呈现玄学状态
    • *p 位于 ROM 区,数据本身不支持随机写入,防止发生逻辑错误而出现总线访问错误(如 HardFault)
  3. 实例中的编译结果字符串存储是按照 4 字节对齐的,看似用了 5 个字节 (字符串结尾标志 '\0' 占一个字节),实则是 8 个字节
  4. RAM 区域的 str0 和 str1 的初始化数据,实际也是存储在 ROM 中的,编译器会负责这部分数据的拷贝工作,str0 和 str1 的声明比 str2 / str3 声明语句多耗费 4 字节的 RAM。
    • str0 和 str1 的初始化值存储在 RW-DATA 区域(注意:RW-DATA 区域实际上是在 ROM 中的一个代理副本,运行时在 RAM 中生成主体)
    • str2 和 str3 的初始化值存储在 RO-DATA 区域
发表于: 作者:JiapengLi
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