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【翻译】Effective C++ (第3项：尽可能使用const)

Posted on 2007-04-11 19:55 ★ROY★ 阅读(956) 评论(3)  编辑 收藏 引用 所属分类: Effective C++

第3项： 尽可能使用 const

const令人赞叹之处就是：你可以通过它来指定一个语义上的约束（一个特定的不能够更改的对象）这一约束由编译器来保证。通过一个const，你可以告诉编译器和其他程序员，你的程序中有一个数值需要保持恒定不变。不管何时，当你需要这样一个数时，你都应该这样做，这样你便可以让编译器来协助你确保这一约束不被破坏。

const 关键字的用途十分广泛。在类的外部，你可以定义全局的或者名字空间域的常量，也可以通过添加 static 关键字来定义文件、函数、或者程序块域的对象。在类的内部，你可以使用它来定义静态的或者非静态的数据成员。对于指针，你可以制定一个指针是否是 const 的，其所指的数据是否是 const 的，或者两者都是 const ，或者两者都不是。

char greeting[] = "Hello";

char *p = greeting;                    // 非 const 指针，非 const 数据

const char *p = greeting;              // 非 const 指针， const 数据

char * const p = greeting;             // const 指针，非 const 数据

const char * const p = greeting;       // const 指针， const 数据

这样的语法看上去反复无常，实际上并不是这样。如果 const 关键字出现在星号的左边，那么指针所指向的就是一个常量；如果 const 出现在星号的右边，那么指针本身就是一个常量；如果 const 同时出现在星号的两边，那么两者就都是常量。

当所指向的为常量时，一些程序员喜欢把 const 放在类型之前；其他一些人则喜欢放在类型后边，但要在星号的前边。这两种做法没有什么本质的区别，所以下边给出的两个函数声明的参数表实际上是相同的：

void f1(const Widget *pw);  // f1 传入一个指向 Widget 对象常量的指针

void f2(Widget const *pw);  // f2 也一样

由于这两种形式在实际代码中都会遇到，所以你都要适应。

STL 迭代器是依照指针模型创建的， 所以说一个 iterator 更加像一个指向 T* 的指针。把一个 iterator 声明为 const 的更像是声明一个 const 的指针（也就是声明一个指向 T* const 的指针）： iterator 不允许指向不同类型的内容，但是其所指向的内容可以被修改。如果你希望一个迭代器指向某些不能被修改的内容（也就是指向 const T* 的指针），此时你需要一个 const_iterator ：

std::vector<int> vec;

...

const std::vector<int>::iterator iter = vec.begin();

                                  // iter 就像一个 T* const

*iter = 10;                       // 正确，可以改变 iter 所指向的内容

++iter;                           // 出错！ Iter 是一个 const

 

std::vector<int>::const_iterator cIter = vec.begin();

                                  // cIter 就像一个 const T*

*cIter = 10;                      // 出错！ *cIter 是一个 const

++cIter;                          // 正确，可以改变 cIter

const 在函数声明方面还有一些强大的用途。在一个函数声明的内部， const 可以应用在返回值、单个参数，对于成员函数，可以将其本身声明为 const 的。

让函数返回一个常量通常可以减少意外发生的可能，而且不用放弃考虑安全和效率问题。好比有理数乘法函数（ operator* ）的声明，更多信息请参见第 24 项。

class Rational { ... };

const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs);

很多程序员在初次到这样的代码时都不会正眼看一下。为什么 operator* 要返回一个 c onst 对象呢？这是因为如果不是这样，客户端将会遇到一些不愉快的状况，比如：

Rational a, b, c;

...

(a * b) = c;                  // 调用 operator= 能返回一个 a*b ！

我不知道为什么一些程序员会企图为两个数 的乘积赋值，但是我确实知道好多程序员的初衷并非如此。他们也许仅仅在录入的时候出了个小差错（他们的本意也许是一个布尔型的表达式）：

if (a * b = c) ...            // 噢 … 本来是想进行一次比较！

显而易见，如果 a 和 b 是内建数据类型，那么这样的代码就是非法的。避免与内建数据类型不必要的冲突，这是一个优秀的用户自定义类型的设计标准之一（另请参见第 18 项），而允许为两数乘积赋值这让人看上去就很不必要。声明 operator* 函数时如果让其返回一个 const 型数据则可以避免这一冲突，这便是要这样做的原因所在。

const 的参数没有什么特别新鲜的——它们与局部 const 对象的行为基本一致，你在必要的时候要尽可能使用它们。除非你需要更改某个参数或者局部对象，其余的所有情况最好都声明为 const 。这仅仅需要你多打六个字母，但是它可以使你从恼人的错误（比如我们刚才见到的“我本想打‘ == ’但是却打了‘ = ’”）中解放出来。

const 成员函数

对成员函数使用 const 的目的是指明这些成员函数可以被 const 对象调用。这一类成员函数是很重要的，首先，它们使得类的接口更加易于理解。很有必要了解哪些函数可以修改而哪些不可以。其次，这些函数可以与 const 对象协同工作。这对于高效编码是十分重要的一方面，这是由于（将在第 20 项中展开解释）提高 C++ 程序性能的一条最基本的途径就是：传递对象的 const 引用。使用这一技 术需要一个前提：这就是首先要有 const 成员函数存在，并且它们用于处理之前生成的 const 对象。

如果若干成员函数之间的区别仅仅为“是否是 const 的”，那么它们也可以被重载。很多人都忽略了这一点，但是这是 C++ 重要特征之一。请观察下面的代码，这是一个文字块的类：

class TextBlock {

public:

  ...

  const char& operator[](std::size_t position) const

                                // operator[] 用于返回相应位置的字符

  { return text[position]; }     // 返回一个 const 对象

 

  char& operator[](std::size_t position)

                                // operator[] 用于返回相应位置的字符

  { return text[position]; }     // 返回一个非 const 对象

private:

   std::string text;

};

TextBlock 的 operator[] 可以这样使用：

TextBlock tb("Hello");

std::cout << tb[0];        // 调用非 const 的 TextBlock::operator[]

 

const TextBlock ctb("World");

std::cout << ctb[0];       // 调用 const 的 TextBlock::operator[]

顺便说一下，在真实的程序中， const 对象在大多数情况下都以“通过指针传递”或“引用一个 const ”的形式出现。 上面的 ctb 的例子纯粹是人为的，而下面的例子在真实状况中常会出现：

void print(const TextBlock& ctb)       // 在这个函数中 ctb 是 const 的

{

  std::cout << ctb[0];        // 调用 const 的 TextBlock::operator[]

  ...

}

通过对 operator[] 的重载以及为每个版本提供不同类型的返回值，你便可以以不同的方式处理 const 的或者非 const 的 TextBlock ：

std::cout << tb[0];           // 正确：读入一个非 const 的 TextBlock

tb [0] = 'x';                  // 正确：改写一个非 const 的 TextBlock

std::cout << ctb[0];          // 正确：读入一个 const 的 TextBlock

ctb [0] = 'x';                 // 错误 ! 不能改写 const 的 TextBlock

请注意，这一错误只与所调用的 operator[] 的返回值的类型有关，如果仅仅调用 operator[] 本身则不会出现任何问题。错误出现在：企图为一个 const char& 赋值，而 const char& 则是 operator[] 的 const 版本的返回值类型。

同时还要注意的是，非 const 的 operator[] 的返回值类型是一个 char 的引用，而不是 char 本身。如果 operator[] 真的简单的返回一个 char ，那么下面的语句将不能正确编译：

tb[0] = 'x';

这是因为，企图修改一个返回内建数据类型的函数的返回值根本都是非法的。即使假设这样做合法，而 C++ 是 通过传值返回对象的，所修改的仅仅是由 tb.text[0] 复制出的一份副本，而不是 tb.text[0] 本身，你不会得到预期的效果。

让我们暂停一小会儿，来考虑一下这里边的哲学问题。把一个成员函数声明为 const 的有什么涵义呢？这里有两个流行的说法：按位恒定（也可叫做物理恒定）和逻辑恒定。

按位 恒定阵营坚信：当且仅当一个成员函数对于所有对象的数据成员（ static 数据成员除外）都不做出改动时，才需要将这一成员函数声明为 const 的，换句话说，将成员函数声明为 const 的条件是：成员函数不对对象内部做任何的改动。按位恒定的好处之一就是，它使得错误检查便得更轻松：编译器仅需要查找对数据成员的赋值。实际上，按位恒定就是 C++ 对于恒定的定义，如果一个 const 的成员函数调用了某个对象，那么即使该对象拥有非静态数据成员，其所有数据成员也都是不可修改的。

不幸的是，大多数不完全是 const 的成员函数也可以通过按位恒定的检验。在特定的情况下，如果一个成员函数频繁的修改一个指针所指的位置，那么我们说它就不是一个 const 的成员函数。但是只要这个指针存在于一个对象中，这个函数就是按位恒定的，这时候编译器不会报错。这样会导致编成的行为不符合常规习惯。比如说，我们手头有一个类似于 TextBlock 的类，其中保存着 char* 类型的数据而不是 string ，因为这段代码有可能要与一些 C 语言的 API 交互，但是 C 语言中没有 string 对象一说。

class CTextBlock {

public:

  ...

  char& operator[](std::size_t position) const

  // operator[] 不恰当的 （但是符合按位恒定规则）定义方法

  { return pText[position]; }

private:

  char *pText;

};

尽管 operator[] 返回一个对对象内部数据的引用，这个类仍（不恰当地）将其声明为 const 的 成员函数（第 28 项将深入讨论这个问题）。先忽略这个问题，请注意 operator[] 的实现中并没有以任何形式修改 pText 。于是编译器便会欣然接受这样的做法，毕竟，所有的编译器所检查的是“代码是否符合按位恒定规则”。但是请观察，在编译器的纵容下，还会有什么样的事情发生：

const CTextBlock cctb("Hello");// 声明对象常量

 

char *pc = &cctb[0];            // 调用 const 的 operator[]

                                // 从而得到一个指向 cctb 中数据的指针

 

*pc = 'J';                      // cctb 现在的值为 "Jello"

当你创建了一个包含具体值的对象常量后，你仅仅通过对其调用 const 的成员函数，就可以改变它的值！这显然是有问题的。

 

辑恒定应运而生。坚持这一宗旨的人们争论道，一个 const 的成员函数可能对其调用的对象内部做出改动，但是仅仅以客户端无法察觉的方式进行。比如说，你的 CTextBlock 类可能需要保存文字块的长度，以便在需要的时候调用：

class CTextBlock {

public:

  ...

  std::size_t length() const;

 

private:

  char *pText;

  std::size_t textLength;      // 最后一次计算出的文字块长度

  bool lengthIsValid;          // 当前长度是否可用

};

 

std::size_t CTextBlock::length() const

{

  if (!lengthIsValid) {

textLength = std::strlen(pText);    // 错误！不能在 const 成员函数中

lengthIsValid = true;          // 对 textLength 和 lengthIsValid 赋值

  }

  return textLength;

}

以上 length 的实现绝不是按位恒定的。这是因为 textLength 和 lengthIsValid 都可以改动。尽管看上去它应该对于 CTextBlock 对象常量可用，但是编译器不答应。编译器始终坚持遵守按位恒定。那么该怎么办呢？

解决方法很简单：利用 C++ 中 与 const 相关的灵活性，使用可变的（ mutable ）数据成员。 mutable 可以使非静态数据成员不受按位恒定规则的约束：

class CTextBlock {

public:

  ...

  std::size_t length() const;

 

private:

  char *pText;

  mutable std::size_t textLength;// 这些数据成员在任何情况下均可修改

  mutable bool lengthIsValid;     // 在 const 成员函数中也可以

};

 

std::size_t CTextBlock::length() const

{

  if (!lengthIsValid) {

    textLength = std::strlen(pText);    // 现在可以修改了

    lengthIsValid = true;               // 同上

  }

  return textLength;

}

避免 const 与非 const 成员函数之间的重复

mutable 对于“我不了解按位恒定”的情况不失为一个良好的解决方案，但是它对于所有的 const 难题并不能做到一劳永逸。举例说， TextBlock （以及 CTextBlock ）中的 operator[] 不仅仅返回一个对恰当字符的引用，同时还要进行边界检查、记录访问信息，甚至还要进行数据完整性检测。如果将所有这些统统放在 const 或非 const 函数（我们现在会得到过于冗长的隐式内联函数，不过不要惊慌，在第 30 项中这个问题会得到解决）中，看看我们会得到什么样的庞然大物：

class TextBlock {

public:

  ...

  const char& operator[](std::size_t position) const

  {

    ...                                 // 边界检查

    ...                                 // 记录数据访问信息

    ...                                 // 确认数据完整性

    return text[position];

  }

  char& operator[](std::size_t position)

  {

    ...                                 // 边界检查

    ...                                 // 记录数据访问信息

    ...                                 // 确认数据完整性

    return text[position];

  }

 

private:

   std::string text;

};

噢！天哪，这让人头疼：重复代码，以及随之而来的编译时间增长、维护成本增加、代码膨胀、等等……当然，像边界检查这一类代码是可以移走的，它们可以单独放在一个成员函数（当然是私有的）中，然后让这两个版本的 operator[] 来调用它，但是你的代码仍然有重复的函数调用，以及重复的 return 语句。

对于 operator[] 你真正需要的是：一次实现，两次使用。也就是说，你需要一个版本的 operator[] 来调用另一个。这样便可以通过转型来消去函数的恒定性。

通常情况下转型是一个坏主意，后边我将专门用一项来告诉你为什么不要使用转型（第 21 项），但是代码重复也不会让人感到有多轻松。在这种情况下， const 版的 operator[] 与非 const 版的 operator[] 所做的事情完全相同，不同的仅仅是它的返回值是 const 的。通过转型来消去返回值的恒定性是安全的，这是因为任何人调用这一非 const 的 operator[] 首先必须拥有一个非 const 的对象，否则它就不能调用非 const 函数。所以尽管需要一次转型，在 const