关于C标准中extern const的疑问：编译器优化的标准依据

示例代码 #

extern const int foo;
extern void blah(void);

int toto(void) {
  int x = foo;
  blah();
  int y = foo;
  return x + y;
}

编译命令与汇编结果 #

使用以下命令编译：

arm-linux-gnueabihf-gcc -std=c99 -O2 -fno-pic -S extern_const2.c

生成的汇编代码如下：

toto:
    @ args = 0, pretend = 0, frame = 0
    @ frame_needed = 0, uses_anonymous_args = 0
    movw    r3, #:lower16:foo
    movt    r3, #:upper16:foo
    push    {r4, lr}
    ldr r4, [r3]
    bl  blah
    lsls    r0, r4, #1
    pop {r4, pc}

观察到的优化行为 #

从汇编代码可以看到，foo仅被读取一次，后续通过左移1位（等价于乘以2）计算返回值。这表明GCC假设foo在调用blah()期间值保持不变，Clang也存在相同的优化行为。

标准条款疑问 #

在ISO/IEC 9899:2017（C17）标准中，未找到直接针对该假设的明确条款：

• §6.7.3-12解释了extern volatile const变量的特性（值可被硬件修改，但程序不可赋值），但不适用于普通的extern const变量。
• §6.7.3-6规定程序不得向const变量赋值，但不确定这是否意味着外部调用无法修改该变量。该条款原文：

  若试图通过非const限定类型的左值修改定义为const限定类型的对象，行为未定义

另外，示例中的foo是声明而非定义为const，标准§6.7-5对声明与定义的区别说明：

声明指定一组标识符的解释和属性。标识符的定义是指该标识符的声明满足：——对于对象，为其预留存储；

核心问题 #

C标准中哪部分内容支持编译器对extern const变量做出「值保持不变」的假设？

标准依据分析 #

编译器的这个优化行为，核心来自以下几部分标准条款的约束与语义：

1. const对象的不可修改性（§6.7.3-6的延伸）
   虽然示例中foo是extern const声明，但根据标准的一致性要求，foo的定义必须与其声明的类型限定符兼容——也就是说，foo的定义必然是const int foo = ...;（或等价的const限定定义）。而§6.7.3-6明确规定，通过非const左值修改定义为const的对象属于未定义行为。

   这意味着，任何符合标准的程序都不能修改foo的值，无论代码位于当前编译单元还是其他单元。如果有代码尝试修改foo，整个程序的行为就已经是未定义的，编译器无需考虑这种情况，可以安全假设foo的值不会被改变。

2. 声明与定义的类型兼容性（§6.2.7-1）
   标准§6.2.7-1规定：「所有对同一对象或函数的声明应具有兼容类型」。对于extern const int foo;的声明，对应的定义必须是兼容类型，即带const限定的int对象。如果定义没有const，声明与定义的类型不兼容，程序违反约束，属于未定义行为。

   因此，编译器可以确定foo的定义必然是const对象，进而推断没有合法代码能修改它，所以可以安全地将两次读取优化为一次。

3. 优化的合法性（§5.1.2.3-6）
   标准§5.1.2.3-6允许编译器进行优化，只要优化后的程序与严格符合标准的程序行为一致。由于任何修改const对象的操作都是未定义行为，编译器无需考虑这种场景，因此将两次读取foo合并为一次是符合标准的优化。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者David Monniaux