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zhangxf
2025-03-27
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第五章 C++中如何使用 const 限定符

# 第五章 C++中如何使用 const 限定符

在本章接下来的几个问题中，我们将学习const限定符及其正确用法。

# 问题32：下面这段代码的输出是什么，为什么？

#include  <iostream> 

class A  {
public:
    int  value() { return  1; }
    int  value() const  { return  2; }
};

int  main() {
    A a;
    const  auto  b = a.value();
    std::cout << b << '\n';
}
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输出将是1。如果a被声明为const，而b不是，结果将是2。实际上，结果与b是否为const无关。 为什么会这样呢？ 如果一个函数有两个重载版本，一个是const版本，另一个不是，编译器会根据对象是否为const来选择调用哪个版本。 另一方面，这与返回变量的const属性无关。 这只是对后续内容的一个简单介绍，接下来我们将讨论const属性和const正确性。在C++中，这是一个重要的话题，就像使用const关键字一样。

# 问题33：使用 const 局部变量有哪些优点？

通过将局部变量声明为const，你就表明它是不可变的，其值永远不应改变。如果你之后仍试图修改它，将会得到一个编译错误。对于全局变量来说，这非常有用。否则，你根本不知道谁可能会修改它们的值。当然，我们应该避免使用全局变量，你还记得静态初始化顺序混乱的问题吗？ 此外，将变量声明为const还有助于编译器进行一些优化。除非你显式地将变量标记为const，否则编译器不会知道（至少不能确定）给定的变量不应被更改。同样，只要有可能，我们就应该使用const。 在实际生活中，我发现我们常常忘记将变量声明为const，尽管在会议演讲中有很多很好的示例⁷²。将变量声明为const对代码及其可维护性并没有负面影响。 这是一个非常重要的概念，在Rust语言中，所有变量默认都是const的，除非你声明它们是可变的。 我们没有理由不遵循类似的做法。 如果你不打算修改局部变量，就将它们声明为const。至于全局变量，最好避免使用，但如果你非要使用，也尽可能将它们声明为const。

# 问题34：在类中使用 const 成员是个好主意吗？

首先，为什么要在类中使用const成员呢？ 因为你可能想表明这些成员是不可变的，永远不应改变。 遗憾的是，这会带来一些影响。 第一个影响是，包含const成员的类是不可赋值的：

class  MyClassWithConstMember  {
public:
    MyClassWithConstMember(int  a) : m_a(a) {}

private:
    const  int  m_a;
};

int  main() {
    MyClassWithConstMember o1{666};
    MyClassWithConstMember o2{42};
    o1 = o2;
}
/*
main.cpp:  In  function  'int main()':
main.cpp:12:8:  error: use of  deleted  function  'MyClassWit\
hConstMember&  MyClassWithConstMember::operator=(const  MyC\
lassWithConstMember&)'
     12  |      o1  = o2;
        |                ^~
main.cpp:1:7:  note:  'MyClassWithConstMember& MyClassWithC\
onstMember::operator=(const  MyClassWithConstMember&)'  is  \
implicitly  deleted because  the  default  definition  would b\
e  ill-formed:
      1  |  class  MyClassWithConstMember  {
        |              ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
main.cpp:1:7:  error: non-static  const member  'const  int M\
yClassWithConstMember::m_a',  cannot use  default assignmen\
t operator
*/
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仔细想想，这是完全合理的。一个变量在初始化后就不能再被更改。而当你想给一个对象（也就是它的成员）赋新值时，这就不再可能了。

同样的原因，这也使得使用移动语义变得不可能。

从错误信息中可以看到，相应的特殊函数，如赋值运算符或移动赋值运算符被删除了。这意味着我们必须手动实现它们。别忘了“五法则”⁷⁵。如果我们实现了其中一个，就必须实现全部5个。 以赋值运算符为例，我们该怎么做呢？

我们是不是应该跳过对const成员的赋值？这也不太好，因为我们可能在某个地方依赖这个值，或者我们根本就不应该存储这个值。

如果我们真的想实现赋值运算符，就必须使用const_cast作为变通方法。由于不能直接去掉值的const属性，你必须将成员值转换为临时的非const指针。

#include  <utility>  
#include  <iostream> 

class  MyClassWithConstMember  {
public:
    MyClassWithConstMember(int  a) : m_a(a) {}
    MyClassWithConstMember& operator=(const  MyClassWithCons\
tMember& other) {
        int* tmp = const_cast<int*>(&m_a);
        *tmp = other.m_a;
        std::cout << "copy assignment\n";
        return  *this ;
    }

    int  getA() {return  m_a;}

private:
    const  int  m_a;
};

int  main() {
    MyClassWithConstMember o1{666};
    MyClassWithConstMember o2{42};
    std::cout << "o1.a: " << o1.getA() << std::endl;
    std::cout << "o2.a: " << o2.getA() << std::endl;
    o1 = o2;
    std::cout << "o1.a: " << o1.getA() << std::endl;
}
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这值得吗？

你有了const成员，这没问题。赋值操作也能正常工作，这也没问题。但如果之后有人在特殊函数之外想要做同样的“操作”，在代码审查中这肯定会被视为一个问题。 我们不要这么草率地去做。

在特殊函数中使用这种“操作”本身就有问题！const_cast可能会导致未定义行为：

注意：根据对象的类型，通过const_cast去掉const限定符后得到的指针、左值或指向数据成员的指针进行写操作，可能会产生未定义行为（7.1.5.1）”。

我们刚刚看了拷贝赋值操作，如果不冒着未定义行为的风险，它就无法正常工作。

这不值得！

# 问题35：按值返回 const对象有意义吗？

很可能没什么意义。为什么呢？

在某个地方使用const是为了向读者（当然还有编译器）表明某些内容不应被修改。当我们按值返回某个对象时，意味着会为调用者创建一个副本。没错，你可能听说过拷贝省略⁷⁸及其特殊形式——返回值优化（RVO），但本质上情况还是一样的。调用者得到的是属于自己的副本。 将这个副本设为const有意义吗？

想象一下，你买了一栋房子却不能对它进行任何修改？虽然可能存在特殊情况，但一般来说，你肯定希望自己的房子能按照自己的意愿改造。同样，你希望自己得到的副本是真正属于自己的对象，并且作为所有者，你能够随意使用它。

按值返回const对象既没有意义，还容易让人误解。

它不仅容易让人误解，甚至可能对你的代码产生负面影响。负面影响？怎么会呢？ 假设你有这样一段代码：

class  SgWithMove  {
    //  . . .
};

SgWithMove foo() {
    //  . . .
}

int  main() {
    SgWithMove o;
    o = foo();
}
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通过使用调试器或者在特殊函数中添加一些日志，你会发现RVO得到了完美应用，当foo()的返回值赋给o时，发生了一次移动操作。 现在，我们在返回类型前加上那个备受争议的const。

class  SgWithMove  {
    //  . . .
};

const  SgWithMove bar() {
    //  . . .
}

int  main() {
    SgWithMove o;
    o = bar();
}
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使用调试器跟踪后会发现，我们没有从移动操作中受益，实际上发生的是一次拷贝操作。 我们返回的是一个const SgWithMove对象，它不能作为SgWithMove&&传递，因为这会去掉const限定符（移动操作会改变被移动的对象）。相反，调用的是拷贝赋值（const SgWithMove&），于是我们又创建了一个副本。

请注意，有一些重要的书籍提倡按const值返回用户自定义类型。在它们成书的那个年代，这种建议是正确的，但从那以后，C++发生了很大的变化，这条建议已经过时了。

# 问题36：如何从函数中返回常量指针（const pointer）？

指针和引用类似，被指向的对象至少要在调用者想要使用它的期间内保持有效。如果你知道在调用者需要返回的地址期间，对象不会被销毁，那么你可以返回成员变量的地址。需要再次强调的是，我们绝不能返回指向局部初始化变量的指针。

但即便如此，也并非完全显而易见。我们不妨稍微退一步思考。当我们返回一个指针时，返回的到底是什么呢？

我们返回的是一个内存地址。这个地址可以指向任何东西。从技术上讲，它可以是一个随机地址，可以是一个空指针，也可以是一个对象的地址。（当然，随机地址有可能是一个有效对象的地址，但也可能只是垃圾数据。毕竟它是随机的。）

即使我们讨论的是在包含函数的作用域内声明的对象，该对象也可能是在栈上或堆上声明的。

如果它是在栈上声明的（没有使用new），这意味着当我们离开包含函数时，它会被自动销毁。

如果对象是在堆上创建的（使用new），那就没有这个问题了，对象会保持有效，但你必须管理它的生命周期。除非你返回一个智能指针（smart pointer），不过这超出了本文的讨论范围。

所以我们必须确保不返回悬空指针（dangling pointer），但在此之后，返回一个常量指针有意义吗？

int  * const  func  () const
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这个函数是常量函数，返回的指针是常量指针，但我们指向的数据可以被修改。然而，我认为返回这样的常量指针没有意义，因为最终的函数调用会产生一个右值（rvalue），而非类类型的右值不能是常量，这意味着const关键字无论如何都会被忽略。

const  int*  func  () const
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这是有用的。被指向的数据不能被修改。

const  int  * const  func() const
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从语义上讲，这和前一种情况几乎一样。被指向的数据不能被修改。另一方面，指针本身的常量属性会被忽略。

那么返回常量指针有意义吗？这取决于const修饰的是什么。如果const修饰的是被指向的对象，那么有意义。如果你试图让指针本身成为常量，那就没有意义了，因为它会被忽略。

# 问题37：函数应该返回常量引用（const reference）吗？

这要视情况而定，你可能会遇到问题。也许会出现悬空引用（dangling reference）。返回常量引用的问题在于，返回的对象的生命周期必须长于调用者，或者至少要和调用者的生命周期一样长。

void  f() {
    MyObject o;
    const  auto& aRef = o.getSomethingConstRef();
    aRef.doSomething();
}
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这个调用会成功吗？不一定。如果MyObject::getSomethingConstRef()返回的是一个局部变量的常量引用，那么就不会成功。这是因为一旦我们离开函数作用域，这个局部变量就会立即被销毁。

const  T& MyObject::getSomethingConstRef() {
    T ret;
    //  . . .
    return  ret; 
}
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这就是所谓的悬空引用。

另一方面，如果我们返回的是对MyObject成员的引用，在上面的例子中就没有问题。

class  MyObject  {
public :
    //  . . .

    const  T& getSomethingConstRef() {
        //  . . .
        return  m_t; 
    }
private :
    T m_t;
};
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值得注意的是，在f()函数外部，我们无法使用aRef，因为MyObject的实例在f()函数结束时会被销毁。

那么我们应该返回常量引用吗？

通常答案是视情况而定。绝对不要自动习惯性地这么做。只有在我们确定被引用的对象在我们想要引用它的时候仍然可用时，才应该返回常量引用。

同时：

永远不要通过引用返回局部初始化的变量！

# 问题38：函数参数应该使用常量引用（const reference）来传递普通旧数据类型（plain old data types）吗？

普通旧数据类型不应该通过常量引用或指针来传递，这样效率很低。如果通过值传递这些数据类型，一次内存读取就可以访问到它们的值。另一方面，如果通过引用/指针传递，首先要读取变量的地址，然后通过解引用才能获取值，这样就需要两次内存读取，而不是一次。

我们不应该使用const&来传递基本数据类型。但是我们应该简单地使用const来传递它们吗？

一如既往，这取决于情况。

如果我们不打算修改它们的值，那么应该使用const。这样做是为了提高代码的可读性，也方便编译器处理，同时为未来的代码维护考虑。

void  setFoo(const  int  foo) {
    this->m_foo = foo;
}
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我知道这看起来可能有些多余，但它没有坏处，而且很明确。你不知道这个方法将来会如何扩展，也许会有一些额外的检查、异常处理等等。

如果没有将其标记为const，可能有人会不小心修改它的值，从而导致一些难以察觉的错误。

如果你将foo标记为const，就可以避免这种情况。

最坏的情况会怎样呢？你可能确实需要去掉const限定符，但那也是有意为之。

另一方面，如果你需要修改参数，就不要将其标记为const。

你时不时会看到以下这种模式：

void  doSomething(const  int  foo) {
    //  . . .
    int  foo2 = foo;
    foo2++;
    //  . . .
}
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不要这么做。如果你打算修改一个值，就没有理由将其作为const值来传递。这会在栈上无端多一个变量，还会无缘无故多一次赋值操作。直接按值传递就好。

void  doSomething(int  foo) {
    //  . . .
    foo++;
    //  . . .
}
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所以我们不使用const&来传递基本数据类型，只有在不想修改它们的值时才将其标记为const。

# 问题39：函数参数应该使用常量引用（const reference）来传递对象吗？

如果我们按值传递一个类对象作为参数，这意味着我们会创建一个该对象的副本。一般来说，复制一个对象比仅仅传递一个引用的开销更大。

所以一般的经验法则是，不要按值传递对象，而是使用const&来传递，以避免复制。

显然，如果你想修改原始对象，那么就只通过引用传递，并且不要使用const。

如果你知道必须创建对象的副本，那么可以按值传递对象。

void  doSomething(const  ClassA& foo) {
    //  . . .
    ClassA foo2 = foo;
    foo2.modify();
    //  . . .
}
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在这种情况下，直接按值传递就好。这样可以省去传递引用的开销，也不用再费心思声明另一个变量并调用复制构造函数。

不过值得注意的是，如果你习惯使用const&来传递对象，可能会多花些心思去判断按值传递是有意为之还是出于失误。

所以这种额外的思考是否值得，还存在疑问。

void  doSomething(ClassA foo) {
    //  . . .
    foo.modify();
    //  . . .
}
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你还应该注意，有些对象的复制开销比传递引用的开销小，或者二者开销相近。小字符串优化（Small String Optimization）或std::string_view就是这种情况。但这超出了本文的讨论范围。

对于对象，我们可以说默认情况下应该使用常量引用传递，如果计划在局部对其进行修改，那么可以考虑按值传递。但绝对不要按常量值（const value）传递，因为这会强制进行复制，同时又不允许我们修改对象。

# 问题40：函数声明的签名必须与函数定义的签名匹配吗？

不一定，至少并非总是如此。参数的const限定符（const qualifier）对函数定义而言并非总是重要，但对函数声明来说很重要。

例如，以下代码是有效的：

#include <iostream>

class MyClass {
public:
    void f(const int);
};

void MyClass::f(int a) {
    a = 42;
    std::cout << a << std::endl;
}

int main() {
    int a=5;
    MyClass c;
    c.f(a);
}
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函数声明中的const意味着它不会修改传入的内容。但实际上它可以修改。同时，这也不是什么大问题，因为它只会修改自身的副本，而不会修改原始变量。

请注意，一旦在声明和定义中都将参数改为引用，代码就无法编译。

#include <iostream>

class MyClass {
public:
    void f(const int&);
};

void MyClass::f(int& a) {
    a = 42;
    std::cout << a << std::endl;
}

int main() {
    int a=5;
    MyClass c;
    c.f(a);
    std::cout << a << std::endl;
}
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main.cpp:8:6: 错误：没有与'void MyClass::f(int&)'匹配的声明
      8  |  void MyClass::f(int& a)  {
        |            ^~~~~~~
main.cpp:5:8: 注意：候选声明是：'void MyClass::f(const int&)'
     5  |     void  f(const  int&);
        |                ^
main.cpp:3:7: 注意：'class MyClass'在此处定义
      3  |  class MyClass  {
        |              ^~~~~~~
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但即使是我们最初的用例，clang-tidy也会发出警告：

函数声明中参数1有const限定；参数的const限定仅在函数定义中起作用

# 问题41：解释consteval和constinit为C++带来了什么？

C++11引入了constexpr表达式，这些表达式可能在编译时求值。

C++20引入了两个新的相关关键字：consteval和constinit。

consteval可用于函数：

consteval int sqr(int n) {
    return n * n;
}
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consteval函数保证在编译时执行，因此它们会创建编译时常量。它们不能分配或释放数据，也不能与静态变量或线程局部变量交互。

constinit可应用于具有静态存储期（static storage duration）或线程存储期（thread storage duration）的变量。所以局部变量或成员变量不能用constinit修饰。它保证变量的初始化在编译时进行。

必须注意的是，虽然constexpr和const变量一旦赋值就不能更改，但constinit变量不是常量，其值可以改变。

上次更新: 2025/04/01, 13:21:34
第四章 Lambda函数
第六章 Modern C++的一些最佳实践

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