const 正确性是否为编译器提供了更多优化空间？

Question

我知道它提高了可读性并使程序不易出错，但是它对性能提高了多少？

顺便说一句，引用和 const 指针之间的主要区别是什么？我假设它们以不同的方式存储在内存中，但又是如何呢？

Answer 1

[编辑：好的，所以这个问题比我一开始想象的更微妙。]

声明 const 指针或 const 引用永远不会帮助任何编译器优化任何内容。 （尽管请参阅此答案底部的更新。）

const 声明仅指示如何在其声明的范围内使用标识符；它并没有说底层对象不能改变。

示例：

int foo(const int *p) {
    int x = *p;
    bar(x);
    x = *p;
    return x;
}

编译器不能假设 *p 未被调用 bar() 修改，因为 p 可能是（例如）指针为全局 int，并且 bar() 可能会修改它。

如果编译器足够了解 foo() 的调用者和 bar() 的内容，它可以证明 bar() 不会修改*p，那么它也可以在没有 const 声明的情况下执行该证明。

但总的来说确实如此。因为 const 仅在声明的范围内有效，所以编译器已经可以看到您如何处理该范围内的指针或引用；它已经知道您没有修改底层对象。

简而言之，const 在这种情况下所做的一切都是为了防止您犯错误。它不会告诉编译器任何它不知道的事情，因此它与优化无关。

调用 foo() 的函数怎么样？例如：

int x = 37;
foo(&x);
printf("%d\n", x);

由于 foo() 采用 const int *，编译器能否证明它会打印 37？

不会。即使 foo() 接受一个指向 const 的指针，它也可能会抛弃 const 性并修改 int。 （这不是未定义的行为。）这里再次强调，编译器一般不能做出任何假设；如果它对 foo() 有足够的了解来进行这样的优化，它就会知道即使没有 const。

const 唯一允许优化的情况是这样的情况：

const int x = 37;
foo(&x);
printf("%d\n", x);

这里，通过任何机制修改 x（例如，通过获取指向它的指针并丢弃 x >const) 是调用未定义的行为。因此编译器可以假设您不这样做，并且它可以将常量 37 传播到 printf() 中。这种优化对于您声明 const 的任何对象都是合法的。 （实际上，您从不引用的局部变量不会受益，因为编译器已经可以看到您是否在其范围内修改了它。）

要回答您的“旁注”问题，(a) const 指针是指针; (b) const 指针可以等于 NULL。您是正确的，内部表示（即地址）很可能是相同的。

[更新]

正如 Christoph 在评论中指出的那样，我的答案不完整，因为它没有提到 restrict.

C99 标准第 6.7.3.1 (4) 节规定：

在 B 的每次执行期间，令 L 为任何具有基于 P 的 &L 的左值。如果 L 用于
访问它指定的对象 X 的值，并且 X 也被修改（通过任何方式），
那么以下要求适用： T 不应被 const 限定。 ...

（这里 B 是一个基本块，P（指向 T 的限制指针）在其范围内。）

因此，如果 C 函数 foo() 声明如下：

foo(const int * restrict p)

..那么编译器可能假设在p的生​​命周期内没有发生对*p的修改——即在的执行期间foo()——因为否则行为将是未定义的。

因此原则上，将 restrict 与指向 const 的指针结合起来可以实现上面忽略的两种优化。我想知道是否有编译器实际上实现了这样的优化？ （至少 GCC 4.5.2 没有。）

请注意，restrict 仅存在于 C 中，而不是 C++（甚至 C++0x）中，除非作为特定于编译器的扩展。

Answer 2

我立即想到了两种情况，其中适当的 const 限定允许额外的优化（在整个程序分析不可用的情况下）：

const int foo = 42;
bar(&foo);
printf("%i", foo);

这里，编译器知道打印 42 而不必检查 bar() 的主体（在当前翻译单元中可能不可见），因为对 foo 的所有修改都是非法的（< em>这与Nemo 的示例 ）。

然而，通过将 bar() 声明为 foo 而不将 foo 标记为 const 也是可能的。

extern void bar(const int *restrict p);

在许多情况下，程序员实际上想要 restrict 限定的指向const的指针，而不是普通的指向const的指针作为函数参数，因为只有前者对所指向的变量的可变性做出任何保证- 到对象。

至于你的问题的第二部分：出于所有实际目的，C++引用可以被认为是具有自动间接寻址的常量指针（而不是指向常量值的指针！） - 它不是任何“更安全”或“更快”比指针方便多了。

Answer 3

C++ 中的 const 有两个问题（就优化而言）：

• const_cast
• mutable

const_cast 意味着即使您通过 const 引用或 const 指针传递对象，该函数也可能会放弃 const 性并修改该对象（如果该对象一开始就不是 const 则允许）。

可变意味着即使一个对象是const，它的某些部分也可以被修改（缓存行为）。此外，指向的对象（而不是被拥有）可以在 const 方法中修改，即使它们在逻辑上是对象状态的一部分。最后，全局变量也可以被修改...

const 的作用是帮助开发人员及早发现逻辑错误。

Answer 4

const 正确性通常对性能没有帮助；大多数编译器甚至懒得去跟踪前端之外的常量。根据具体情况，将变量标记为 const 会有所帮助。

引用和指针在内存中的存储方式完全相同。

Answer 5

一件事是，如果声明一个全局变量 const，则可以将其放入库或可执行文件的只读部分，从而使用只读 mmap 在多个进程之间共享它。至少如果您在全局变量中声明了大量数据，这在 Linux 上可能会带来很大的内存优势。

另一种情况是，如果声明一个常量全局整数、浮点数或枚举，编译器可能能够将常量内联，而不是使用变量引用。尽管我不是编译器专家，但我相信这要快一些。

从实现角度来看，引用只是底层的指针。

Answer 6

这实际上取决于编译器/平台（它可能有助于优化某些尚未编写的编译器，或某些您从未使用过的平台）。 C 和 C++ 标准除了给出某些函数的复杂性要求外，没有提及性能。

对 const 的指针和引用通常无助于优化，因为在某些情况下可以合法地放弃 const 限定，并且对象可能可以通过不同的非 const 引用进行修改。另一方面，将对象声明为 const 可能会有所帮助，因为它保证该对象不能被修改（即使传递给编译器不知道其定义的函数也是如此）。这允许编译器将 const 对象存储在只读内存中，或将其值缓存在集中位置，从而减少复制和检查修改的需要。

指针和引用通常以完全相同的方式实现，但这又完全依赖于平台。如果您真的感兴趣，那么您应该查看为您的平台和您的程序中的编译器生成的机器代码（如果您确实正在使用生成机器代码的编译器）。

Answer 7

它可以稍微提高性能，但前提是您直接通过对象的声明访问该对象。引用参数等无法优化，因为可能存在指向最初未声明为 const 的对象的其他路径，并且编译器通常无法判断您引用的对象是否实际上已声明为 const，除非您正在使用该声明。

如果您使用 const 声明，编译器将知道外部编译的函数体等无法修改它，因此您可以从中受益。当然，像 const int 这样的东西是在编译时传播的，所以这是一个巨大的胜利（与仅仅一个 int 相比）。

引用和指针的存储方式完全相同，只是语法上的行为不同。引用基本上是重命名，因此相对安全，而指针可以指向许多不同的事物，因此更强大且更容易出错。

我猜想 const 指针在架构上与引用相同，因此机器代码和效率将是相同的。真正的区别在于语法——引用是一种更清晰、更容易阅读的语法，并且由于您不需要指针提供的额外机制，因此在风格上首选引用。