C 类型限定符

C 类型限定符

1. Introduction

C 语言中的大部分类型都可以用称为限定符（qualifier）的关键字 const、 volatile、 restrict、 _Atomic 加以限定。这些限定符可以单独使用，也可以组合使用。

const 和 volatile 在 C89/C90 版本定义，restrict 在 C99 版本定义，_Atomic 在 C11 版本定义，_Atomic 对于编译器而言是可选的支持特性，表示原子类型。

一个类型不加限定符的版本和加限定符的版本是两个不同的类型，但是有相同的表示方法和对齐要求。
因此，int 是一个类型，const int 是另一个类型，限定的结果是产生一个新的类型，而不是“仅仅加入一个修饰，使其具有只读属性”。

程序员可以通过限定符提供一定的信息，以便 C 实现可以更好地优化程序。当编译器编译程序时，看到这些限定符就知道哪些优化是可以做的，哪些优化是不可以做的。另外，还可以检查出程序中的不当操作

类型限定符有以下的使用规则：

a. 类型限定符和类型指定符的顺序可交换

const int i;
int const i;

上述两种表示方式是等价的，但是处于可读性的考虑，通常采用第一种表示方式。

b. 派生类型不会继承类型限定符

指针派生自它所指向的类型。类型 const int 可以派生出 const int *，该指针的类型是“指向一个 const int 类型的指针”，而不是具有 const 限定的指针。
如果要生成 const 指针，需要对指针单独限定：

int * const cp;		// cp 是 const 指针，派生自无限定的 int 类型
const int * const cpc;	// cpc 是 const 指针，派生自 const int 类型

struct 类型派生自它的成员类型，如下所示:

struct t {const int i; const float f;}

struct t 派生自两个成员类型 const int, const float，但是 struct t 不是 const 限定的类型。

c. 同一个类型限定符同时出现多次，相当于只出现一次

两个声明指定符连用是非法的，但是两个类型限定符连用是合法的：

int int i;	// 非法
const volatile const const int i;	// 等效于 const volatile int i
int function(const const int i);	// 等效于 int function(const int i);

2. const

const 比较准确的含义是"只读"，而不是“常量”，“常量”在 C 语言中有特定的含义，与 const 无关。
const 有以下几点需要了解：

a. 优化

当程序中出现 const int i = 0 这样的代码时，它表示程序不准备修改对象 i 的存储值，编译器可以根据这种意图提供适当的优化。
比如，编译器可以在第一次访问对象 i 时将它缓存起来，以后只需要使用这个缓存值而不需要浪费时间重新读取。

b. 安全

编译器会检查代码是否违反了 const 的限定规则，对变量做了不适当的修改操作。
但是用 const 限定的对象并非不可改写的，可以通过强制类型转换来绕过这种限制。
例如:

int x = 0; 
const int *p = &x;
(*p)++;	//S1
(*(int*)p)++;	//S2

S1 是非法的，S2 是合法的，S2 的做法是非常危险的，其后果未定义。

c.作用范围

const 限定符有其作用范围，如果多段代码共享同一个对象，或者多个线程共享同一个对象，那么这个对象可能在一个范围内是 const 限定的，在另一个范围内则不是。
例如：

void f(const char* c)
{
	*c = 'x';	//S1，非法
}

void g(void)
{
	char a[3];
	f(a);
}

上述数组 a 的元素在 g() 中是可修改的，在 f() 中是只读的， S1 代码段的操作是非法的。

3. volatile

与 const 相反，volatile 的含义是告诉 C 实现，对象的值会改变，并且是以不受控制的方式改变。
如果一个类型是 “volatile 限定的类型”，则意味着该类型所定义的对象，它的值不单单会被当前程序的代码修改，还可能潜在地被其他程序或代码修改。
因此，编译器不能在编译时对访问该对象的代码做优化处理，对这种对象的处理不能依赖于缓存特性。
例如，它可能对应一个硬件的端口，或者几个程序或线程公用的存储位置等等。

int i;
interrupt_handler()
{
	i = 1;
}

void function()
{
	i = 0;
	while (0 == i);
}

虽然本意是在中断服务函数中将 i 赋值为 1，但实际上 function 函数中的 while 循环可能永远不会退出。
因为编译器看到在 while 循环前 i 被赋值为 0，while(0 == i) 的条件比较结果肯定为 1，如果打开了编译器的优化选项，while(0 == i) 会被优化为 while(1)。
解决方案就是在声明 i 的时候加入 volatile 限定符：volatile int i;
这样编译器就不会做出不适当的优化。

4. restrict

restrict 限定符仅适用于指针类型。
如果一个指针类型是 restrict 限定的，则它所指向的对象和该指针有一种特殊的联系：在一个代码块内（函数体或者复合语句），所有到这个对象的引用必须直接或者间接通过这个指针进行。
基于上述保证的条件，编译器就可以在代码块的开始处安全地缓存“该指针所指向的对象”的值，读取和更新操作只针对这个缓存值进行。在退出代码块之前，再将缓存的值写回到指针所指向的对象。
如果没有这个限定符，则意味着在当前块内，还可能存在着其他指向这个对象的指针，因此，缓存对象的值是不安全的。
以下两个代码段：

void f1(int *p1, int *p2, int n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		*p1 ++;
		*p2 ++
	}
}

void f2(int * restrict p1, int * restrict p2, int n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		*p1 ++;
		*p2 ++
	}
}

用相同的方法调用上述 f1 和 f2：

int i = 0;
f1(&i, &i, 10)

int i = 0;
f2(&i, &i, 10)

f1 调用完成后，i 的值是 90；f2 调用完成后，i 的值是 45
原因在于，在 f2 中，参数 p1 和 p2 都被声明为 restrict 限定，但调用时他们又指向了同一个对象，这违背了 restrict 的约定。
因此在 f2 内部，for 循环里的两个累加过程都认为只有自己在改变对象的值，因此都使用了缓存值，而不是实际访问对象的值。
当退出 for 循环时他们各自的值都是 45，退出 f2 函数前，这两个缓存值被各自刷新到 i 中，导致 i 的值是 45。

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