[转]: 初探编译器static、const之实现原理

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-07-11 08:52 241阅读 0赞

文章作者：evilknight  
信息来源：邪恶八进制信息安全团队（[www.eviloctal.com][]）  
编译环境: WinXP sp2 + VC6.0 SP 6

对于许多C/C++初学者，往往知道static变量只是被初始化一次，对于const变量，只知道他的值是不能被修改的,但是对于其实现却不知所有然。这里我以VC6.0 SP6为平台，揭开其编译器实现原理。  
下面看一段程序:

C++代码

1.  \#include <iostream.h> 
2.  void fun(int i)
3.  \{
4.  static int n = i ;
5.  int \*p = &n ;
6.  cout << n << endl ;
7.  \++n ;
8.  // 
9.  // 等下我们要在这写代码，让static int n 
10. // 每次进这个函数都初始化一次 
11. // 
12. \}
13. int main(void)
14. \{
15. for (int i(10); i > 0; --i)
16. \{
17. fun(i) ;
18. \}
19. return 0;
20. \}

程序的输出结果是：

> 10  
> 11  
> 12  
> 13  
> 14  
> 15  
> 16  
> 17  
> 18  
> 19

下面我们调试一下，看下编译器如何实现:  
我们在fun函数的第一行设一个断点。static int n = i ;所在行，按F5。  
按Alt+6打开Memory。按F10单步执行，当p有值的时候，我们将他的值拖到Memory窗口，这时就会转到n所在的内存地址,可是这时static已经初始化了,我们不知道编译器对他做了什么操作了。这时我们重新开始调试，一般n的内存地址不会变的，还是在那里。  
我这里以我这边的地址为例:

> 0042E058 00 00 00 00 ....  
> 0042E05C 00 00 00 00 .... // 中间这个为n的内存地址  
> 0042E060 00 00 00 00 ....

我们按F10单步执行一下一条语句(static int n = i ;)

> 0042E058 01 00 00 00 ....  
> 0042E05C 0A 00 00 00 ....// n  
> 0042E060 00 00 00 00 ....

执行完这条语句之后，除了n有了初值，上面有内存空间也有了变化。  
我们接着按F5直接执行到那个断点处，再单步执行一下，发现这次只是n的值有变化，所以我们猜测上面的那个位可能是static的标志位，如果是0的话，说明没有初始化，如果是1的话，说明已经初始化了，下次再进来的时候就不用初始化了，为了验证我们的猜测，我们现在在函数里面加几句语言，修改那个值。

C++代码

1.  void fun(int i)
2.  \{
3.  static int n = i ;
4.  int \*p = &n ;
5.  cout << n << endl ;
6.  \++n ;
7.  // 
8.  // 等下我们要在这写代码，让static int n 
9.  // 每次进这个函数都初始化一次 
10. \--p ;
11. \*p = 0 ;
12. // 
13. \}

写完上面二句，我们执行一下，是不是发现执行结果已经和上面的不同了，每次进函数都会对static int n进行赋初值操作。  
  
下面我们再来看2个static类型的情况，在上面的代码中，我们再加一个 static变量;

C++代码

1.  void fun(int i)
2.  \{
3.  static int n1 = i ;
4.  static int n2 = i ;
5.  int \*p = &n1 ;
6.  cout << n1 << endl ;
7.  \++n1 ;
8.  // 
9.  // 等下我们要在这写代码，让static int n 
10. // 每次进这个函数都初始化一次 
11. \--p ;
12. \*p = 0 ;
13. // 
14. \}

还是继续调戏。  
二个static变量初始化之前内存里面的值

> 0042E050 00 00 00 00 ....  
> 0042E054 00 00 00 00 ....  
> 0042E058 00 00 00 00 ....  
> 0042E05C 00 00 00 00 .... // n1  
> 0042E060 00 00 00 00 .... // n2  
> 0042E064 00 00 00 00 ....

当执行完static int n1 = i ;语句之后，内存的值变成这样了

> 0042E058 01 00 00 00 ....  
> 0042E05C 0A 00 00 00 ....  
> 0042E060 00 00 00 00 ....

接着我们再单步执行  
内存的值变成这样。

> 0042E058 03 00 00 00 ....  
> 0042E05C 0A 00 00 00 ....  
> 0042E060 0A 00 00 00 ....

这样就很明显了，编译器分别用一位来表示一个static变量是否已经始化。  
  
上面是对于用变量对 static进行初始化，对于用常量初始化的情况是怎么样的呢？  
我们将上面的代码改成:

C++代码

1.  \#include <iostream.h> 
2.  void fun(int i)
3.  \{
4.  static int n1 = 0x12345678 ;
5.  int \*p = &n1 ;
6.  cout << \*p << endl ;
7.  \}
8.  int main(void)
9.  \{
10. for (int i(10); i > 0; --i)
11. \{
12. fun(i) ;
13. \}
14. return 0;
15. \}

当指针取到值之后，我们结束调试。我这里的地址值是0x0042ad64。  
好了，我们结束调戏，用winhex打开生成的可执行文件，按Alt+g跳到n的地址，这里要减去0x400000,也就是2ad64。是不是看到我们的初值了。  
因为intel使用的是小端法，所以我们看到的值是反过来的。  
  
  
下面我们再来探索一下const的原理;  
下面看一个程序段

C++代码

1.  \#include <iostream.h> 
2.  int main(void)
3.  \{
4.  const int n = 1 ;
5.  int \*p = (int \*)&n ;
6.  \*p = 0 ;
7.  cout << n << endl ;
8.  cout << \*p << endl ;
9.  return 0;
10. \}

我们执行一下，结果是不是和我们所期望的不同呢，我们在第一行下断点，一条一条的执行。  
确认每一步操作是否正确。  
当执行到\*p = 0的时候我们发现n内存所在的值已经变成0了，但是为什么执行结果令我们大失所望呢？  
我们按Alt +8打开汇编窗口。

> 7: cout << n << endl ;  
> 0041161E push offset @ILT+40(endl) (0040102d)  
> 00411623 push 1  
> 00411625 mov ecx,offset cout (0042e070)  
> 0041162A call ostream::operator<< (004012a0)  
> 0041162F mov ecx,eax  
> 00411631 call @ILT+30(ostream::operator<<) (00401023)  
> 8: cout << \*p << endl ;  
> 00411636 push offset @ILT+40(endl) (0040102d)  
> 0041163B mov edx,dword ptr \[ebp-8\]  
> 0041163E mov eax,dword ptr \[edx\]  
> 00411640 push eax  
> 00411641 mov ecx,offset cout (0042e070)  
> 00411646 call ostream::operator<< (004012a0)  
> 0041164B mov ecx,eax  
> 0041164D call @ILT+30(ostream::operator<<) (00401023)

原来编译器将我们的const变量直接用常量给替换掉了！  
可能有人会想，那这样为什么还要给const变量分配空间呢，这个留给大家思考吧，或者给你们设计编译器的话，你们也会这样实现的！

--------------------

很不华丽的分割线

--------------------

By xiaofengsheng

总结一下,

static变量只会被初始化一次, 是一个被放在全局静态区的一个变量. 它会用一个bit位来表示它是否已经被初始化.

const定义的变量一般会被分配一个空间;

但是对于这个const变量的引用(如const int const\_i = 2; int i = const\_i;), 编译器会在编译期间, 将他们换成常数.

By xiaofengsheng

[www.eviloctal.com]: http://www.eviloctal.com/