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C 總結(jié)：C 中的const和constexpr

C 中的const可用于修飾變量、函數(shù)，且在不同的地方有著不同的含義，現(xiàn)總結(jié)如下。

const的語(yǔ)義

C 中的const的目的是通過(guò)編譯器來(lái)保證對(duì)象的常量性，強(qiáng)制編譯器將所有可能違背const對(duì)象的常量性的操作都視為error。

對(duì)象的常量性可以分為兩種：物理常量性（即每個(gè)bit都不可改變）和邏輯常量性（即對(duì)象的表現(xiàn)保持不變）。C 中采用的是物理常量性，例如下面的例子：

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struct A {
    int *ptr;
};
int k = 5, r = 6;
const A a = {&k};
a.ptr = &r; // !error
*a.ptr = 7; // no error

a是const對(duì)象，則對(duì)a的任何成員進(jìn)行賦值都會(huì)被視為error，但如果不改動(dòng)ptr，而是改動(dòng)ptr指向的對(duì)象，編譯器就不會(huì)報(bào)錯(cuò)。這實(shí)際上違背了邏輯常量性，因?yàn)锳的表現(xiàn)已經(jīng)改變了！

邏輯常量性的另一個(gè)特點(diǎn)是，const對(duì)象中可以有某些用戶(hù)不可見(jiàn)的域，改變它們不會(huì)違背邏輯常量性。Effective C 中的例子是：

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class CTextBlock {
public:
    ...
    std::size_t length() const;
private:
    char *pText;
    std::size_t textLength;            // last calculated length of textblock
    bool lengthIsValid;                // whether length is currently valid
};

CTextBlock對(duì)象每次調(diào)用length方法后，都會(huì)將當(dāng)前的長(zhǎng)度緩存到textLength成員中，而lengthIsValid對(duì)象則表示緩存的有效性。這個(gè)場(chǎng)景中textLength和lengthIsValid如果改變了，其實(shí)是不違背CTextBlock對(duì)象的邏輯常量性的，但因?yàn)楦淖兞藢?duì)象中的某些bit，就會(huì)被編譯器阻止。C 中為了解決此問(wèn)題，增加了mutable關(guān)鍵字。

本部分總結(jié)：C 中const的語(yǔ)義是保證物理常量性，但通過(guò)mutable關(guān)鍵字可以支持一部分的邏輯常量性。

const修飾變量

如上節(jié)所述，用const修飾變量的語(yǔ)義是要求編譯器去阻止所有對(duì)該變量的賦值行為。因此，必須在const變量初始化時(shí)就提供給它初值：

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const int i;
i = 5; // !error
const int j = 10; // ok

這個(gè)初值可以是編譯時(shí)即確定的值，也可以是運(yùn)行期才確定的值。如果給整數(shù)類(lèi)型的const變量一個(gè)編譯時(shí)初值，那么可以用這個(gè)變量作為聲明數(shù)組時(shí)的長(zhǎng)度：

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const int COMPILE_CONST = 10;
const int RunTimeConst = cin.get();
int a1[COMPLIE_CONST]; // ok in C and error in C
int a2[RunTimeConst]; // !error in C

因?yàn)镃 編譯器可以將數(shù)組長(zhǎng)度中出現(xiàn)的編譯時(shí)常量直接替換為其字面值，相當(dāng)于自動(dòng)的宏替換。（gcc驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，只有數(shù)組長(zhǎng)度那里直接做了替換，而其它用COMPILE_CONST賦值的地方并沒(méi)有進(jìn)行替換。）

文件域的const變量默認(rèn)是文件內(nèi)可見(jiàn)的，如果需要在b.cpp中使用a.cpp中的const變量M，需要在M的初始化處增加extern：

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//a.cpp
extern const int M = 20;
//b.cpp
extern const int M;

一般認(rèn)為將變量的定義放在.h文件中會(huì)導(dǎo)致所有include該.h文件的.cpp文件都有此變量的定義，在鏈接時(shí)會(huì)造成沖突。但將const變量的定義放在.h文件中是可以的，編譯器會(huì)將這個(gè)變量放入每個(gè).cpp文件的匿名namespace中，因而屬于是不同變量，不會(huì)造成鏈接沖突。（注意：但如果頭文件中的const量的初始值依賴(lài)于某個(gè)函數(shù)，而每次調(diào)用此函數(shù)的返回值不固定的話(huà)，會(huì)導(dǎo)致不同的編譯單元中看到的該const量的值不相等。猜測(cè)：此時(shí)將該const量作為某個(gè)類(lèi)的static成員可能會(huì)解決此問(wèn)題。）

const修飾指針與引用

const修飾引用時(shí)，其意義與修飾變量相同。但const在修飾指針時(shí)，規(guī)則就有些復(fù)雜了。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，可以將指針變量的類(lèi)型按變量名左邊最近的‘*’分成兩部分，右邊的部分表示指針變量自己的性質(zhì)，而左邊的部分則表示它指向元素的性質(zhì)：

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const int *p1; // p1 is a non-const pointer and points to a const int
int * const p2; // p2 is a const pointer and points to a non-const int
const int * const p3; // p3 is a const pointer and points to a const it
const int *pa1[10]; // pa1 is an array and contains 10 non-const pointer point to a const int
int * const pa2[10]; // pa2 is an array and contains 10 const pointer point to a non-const int
const int (* p4)[10]; // p4 is a non-const pointer and points to an array contains 10 const int
const int (*pf)(); // pf is a non-const pointer and points to a function which has no arguments and returns a const int
...

const指針的解讀規(guī)則差不多就是這些了……

指針自身為const表示不可對(duì)該指針進(jìn)行賦值，而指向物為const則表示不可對(duì)其指向進(jìn)行賦值。因此可以將引用看成是一個(gè)自身為const的指針，而const引用則是const Type * const指針。

指向?yàn)閏onst的指針是不可以賦值給指向?yàn)榉莄onst的指針，const引用也不可以賦值給非const引用，但反過(guò)來(lái)就沒(méi)有問(wèn)題了，這也是為了保證const語(yǔ)義不被破壞。

可以用const_cast來(lái)去掉某個(gè)指針或引用的const性質(zhì)，或者用static_cast來(lái)為某個(gè)非const指針或引用加上const性質(zhì)：

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int i;
const int *cp = &i;
int *p = const_cast<int *>(cp);
const int *cp2 = static_cast<const int *>(p); // here the static_cast is optional

C 類(lèi)中的this指針就是一個(gè)自身為const的指針，而類(lèi)的const方法中的this指針則是自身和指向都為const的指針。

類(lèi)中的const成員變量

類(lèi)中的const成員變量可分為兩種：非static常量和static常量。

非static常量：

類(lèi)中的非static常量必須在構(gòu)造函數(shù)的初始化列表中進(jìn)行初始化，因?yàn)轭?lèi)中的非static成員是在進(jìn)入構(gòu)造函數(shù)的函數(shù)體之前就要構(gòu)造完成的，而const常量在構(gòu)造時(shí)就必須初始化，構(gòu)造后的賦值會(huì)被編譯器阻止。

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class B {
public:
    B(): name('aaa') {
        name = 'bbb'; // !error
    }
private:
    const std::string name;
};

static常量：

static常量是在類(lèi)中直接聲明的，但要在類(lèi)外進(jìn)行唯一的定義和初始值，常用的方法是在對(duì)應(yīng)的.cpp中包含類(lèi)的static常量的定義：

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// a.h
class A {
    ...
    static const std::string name;
};
// a.cpp
const std::string A::name('aaa');

一個(gè)特例是，如果static常量的類(lèi)型是內(nèi)置的整數(shù)類(lèi)型，如char、int、size_t等，那么可以在類(lèi)中直接給出初始值，且不需要在類(lèi)外再進(jìn)行定義了。編譯器會(huì)將這種static常量直接替換為相應(yīng)的初始值，相當(dāng)于宏替換。但如果在代碼中我們像正常變量那樣使用這個(gè)static常量，如取它的地址，而不是像宏一樣只使用它的值，那么我們還是需要在類(lèi)外給它提供一個(gè)定義，但不需要初始值了（因?yàn)樵诼暶魈幰呀?jīng)有了）。

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// a.h
class A {
    ...
    static const int SIZE = 50;
};
// a.cpp
const int A::SIZE = 50; // if use SIZE as a variable, not a macro

const修飾函數(shù)

C 中可以用const去修飾一個(gè)類(lèi)的非static成員函數(shù)，其語(yǔ)義是保證該函數(shù)所對(duì)應(yīng)的對(duì)象本身的const性。在const成員函數(shù)中，所有可能違背this指針const性（const成員函數(shù)中的this指針是一個(gè)雙const指針）的操作都會(huì)被阻止，如對(duì)其它成員變量的賦值以及調(diào)用它們的非const方法、調(diào)用對(duì)象本身的非const方法。但對(duì)一個(gè)聲明為mutable的成員變量所做的任何操作都不會(huì)被阻止。這里保證了一定的邏輯常量性。

另外，const修飾函數(shù)時(shí)還會(huì)參與到函數(shù)的重載中，即通過(guò)const對(duì)象、const指針或引用調(diào)用方法時(shí)，優(yōu)先調(diào)用const方法。

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class A {
public:
    int &operator[](int i) {
         cachedReadCount;
        return data[i];
    }
    const int &operator[](int i) const {
         size; // !error
        --size; // !error
         cachedReadCount; // ok
        return data[i];
    }
private:
    int size;
    mutable cachedReadCount;
    std::vector<int> data;
};
A &a = ...;
const A &ca = ...;
int i = a[0]; // call operator[]
int j = ca[0]; // call const operator[]
a[0] = 2; // ok
ca[0] = 2; // !error

這個(gè)例子中，如果兩個(gè)版本的operator[]有著基本相同的代碼，可以考慮在其中一個(gè)函數(shù)中去調(diào)用另一個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼的重用（參考Effective C ）。這里我們只能用非const版本去調(diào)用const版本。

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int &A::operator[](int i) {
    return const_cast<int &>(static_cast<const A &>(*this).operator[](i));
}

其中為了避免調(diào)用自身導(dǎo)致死循環(huán)，首先要將*this轉(zhuǎn)型為const A &，可以使用static_cast來(lái)完成。而在獲取到const operator[]的返回值后，還要手動(dòng)去掉它的const，可以使用const_cast來(lái)完成。一般來(lái)說(shuō)const_cast是不推薦使用的，但這里我們明確知道我們處理的對(duì)象其實(shí)是非const的，那么這里使用const_cast就是安全的。

constexpr

constexpr是C 11中新增的關(guān)鍵字，其語(yǔ)義是“常量表達(dá)式”，也就是在編譯期可求值的表達(dá)式。最基礎(chǔ)的常量表達(dá)式就是字面值或全局變量/函數(shù)的地址或sizeof等關(guān)鍵字返回的結(jié)果，而其它常量表達(dá)式都是由基礎(chǔ)表達(dá)式通過(guò)各種確定的運(yùn)算得到的。constexpr值可用于enum、switch、數(shù)組長(zhǎng)度等場(chǎng)合。

constexpr所修飾的變量一定是編譯期可求值的，所修飾的函數(shù)在其所有參數(shù)都是constexpr時(shí)，一定會(huì)返回constexpr。

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constexpr int Inc(int i) {
    return i 1;
}
constexpr int a = Inc(1); // ok
constexpr int b = Inc(cin.get()); // !error
constexpr int c = a * 2 1; // ok

constexpr還能用于修飾類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)，即保證如果提供給該構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)都是constexpr，那么產(chǎn)生的對(duì)象中的所有成員都會(huì)是constexpr，該對(duì)象也就是constexpr對(duì)象了，可用于各種只能使用constexpr的場(chǎng)合。注意，constexpr構(gòu)造函數(shù)必須有一個(gè)空的函數(shù)體，即所有成員變量的初始化都放到初始化列表中。

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struct A {
    constexpr A(int xx, int yy): x(xx), y(yy) {}
    int x, y;
};
constexpr A a(1, 2);
enum {SIZE_X = a.x, SIZE_Y = a.y};

constexpr的好處：

  1. 是一種很強(qiáng)的約束，更好地保證程序的正確語(yǔ)義不被破壞。
  2. 編譯器可以在編譯期對(duì)constexpr的代碼進(jìn)行非常大的優(yōu)化，比如將用到的constexpr表達(dá)式都直接替換成最終結(jié)果等。
  3. 相比宏來(lái)說(shuō)，沒(méi)有額外的開(kāi)銷(xiāo)，但更安全可靠。

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