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一. 基本描述
定义变量时的限定符,表示变量值不能改变。
const int bufSize = 512;
bufSize = 512; // 错误:试图向const对象写值
由于const一旦创建就不可更改,所以const对象必须初始化(否则定义一个默认值且不可修改的变量没有任何意义)。
const int i = get_size(); // 正确
const int j = 42; // 正确
const int k; // 错误:未初始化
使用值传递初始化时,被初始化的对象是否为const与初始化对象是否为const无关。
int i = 0;
int j = i; // 正确
const int k = i; // 正确
const int x = 0;
int y = x; // 正确
const int z = x; // 正确
二. const初始化引用时的例外
C++规定引用类型必须与被引用对象一致:
int i = 2;
double &j = i; // 错误:引用类型与对象类型不一致
还规定引用必须绑定到左值:
int &i = 2; // 错误:不允许用右值初始化
int &j = a * 2 // 错误:不允许用表达式初始化
但是用const初始化引用时会有例外:
const引用类型与对象类型不一致(但可以转化):
int i = 2;
const double &j = i; // 正确:j是常量引用
const引用绑定到一个非左值上(类型一致或可以转化):
const int &i = 2; // 正确:i是常量引用
const int &j = a * 2 // 正确:j是常量引用
原因在于,const引用将会额外创建一个临时变量,并绑定上去。
C++支持这种做法的目的在于,既然不能通过const引用修改对象值,那么额外创建一个常量和直接绑定对象并没有什么区别,所以干脆让const引用支持这种非常规做法。
三. 顶层const和底层const
通常在指针/引用与const符同时使用时会用到这个概念。
1. const与指针
指针本身是一个独立的对象,它又可以指向另一个对象。
所以指针和const同时使用时,有两种情况:
int i = 0;
int *const j = &i; // 指针j指向i,const修饰指针j本身,所以j的地址值不允许修改,但是可以通过j修改i的值
const int *k = &i; // 指针k指向i,const修饰k指向的i,所以k的地址值可以修改,但是不可以通过k修改i的值
以上两种情况,修饰指针j本身的const称为顶层const,修饰k所指向变量i的const成为底层const。底层const与顶层const是两个互相独立的修饰符,互不影响。
2. const与引用
引用一旦初始化,就不能再修改(绑定),所以引用本身就具有"const"的性质。
与指针相比,引用相当于内置了顶层const。
所以使用引用时,就只需考虑是否为底层const:
int i = 0;
const int &j = i; // j为绑定到i的const引用,不允许使用j来修改i
3. 其他
(1). 可以将底层const的指针(或引用)指向(或绑定)到非const对象,但不允许非底层const的指针(或引用)指向(或绑定)到const对象。 (即:const对象不允许通过任何方式(指针/引用)被修改。)
(2). 修饰值本身的const均为顶层const:
const int i = 0; // 顶层const;
四. const与函数
1. 值传递的const形参
void fcn(const int i) { /* ... */ }
这个函数中,变量i为值传递形参,根据值传递的初始化规则,形参i是否为const与传入的实参是否为const是完全无关的。这里的const仅表示i在函数体中不允许修改。
如下的调用均为合法调用:
int x = 0;
fcn(x);
const int y = 0;
fcn(y);
因为值传递的const形参在调用上与非const形参没有区别,所以仅仅使用const无法区分参数类别,所以无法实现函数重载,如下的重载是错误的:
void fcn1(const int i) { /* ... */ }
void fcn1(int i) { /* ... */ } // 错误:重复定义函数,不能实现重载
2. const指针/引用的形参
对于顶层const的指针,与上一小节一样,其const性质与实参无关,顶层const仅表示指针/引用本身在函数体中不允许修改。
所以我们只需要讨论底层const的指针/引用。
void fcn2(const int &x) { /* ... */ } // 接受const或非const的int引用,但是不允许通过x修改传入的对象
void fcn2(const int *y) { /* ... */ } // 接受const或非const的int指针,但是不允许通过y修改传入的对象
如上两个函数都定义了底层const的形式参数,它们可以接受const或非const对象,但是不能在函数体内修改这些对象。
所以如下的调用都是合法的:
int i = 0;
fcn2(i); // 正确:调用第一个函数
fcn2(&i); // 正确:调用第二个函数
const int j = 0;
fcn2(j); // 正确:调用第一个函数
fcn2(&j); // 正确:调用第二个函数
由于底层const描述实参性质,可以在调用时区分const,所以使用底层const的指针/引用可以实现函数重载:
void fcn3(int &x) { /* ... */ }
void fcn3(const int &x) { /* ... */ } // 新函数,作用于const的引用
所以可以分别调用两个函数:
int i = 0;
fcn3(i); // 正确:调用第一个函数
const int j = 0;
fcn3(j); // 正确:调用第二个函数
当传递非常量对象时,编译器会优先调用非常量版本的函数。
3. 总结
- 顶层const的形式参数不能实现函数重载,但底层const形参可以
- 当函数不修改参数值时,尽可能将形式参数定义为(底层)const参数,因为(底层)const参数可以接受常量与非常量对象,但非(底层)const参数只能接受非常量对象。
五. const与类
1. const与类的成员变量
一个类通常包含成员函数和成员变量,对象的const修饰表示该对象的成员变量不允许被修改:
class Number
{
public:
int number = 0;
};
int main()
{
const Number n;
n.number = 1; // 错误,n为const对象,不允许被修改
return 0;
}
无论类的成员变量本身是否为const,只要对象声明为const,均不允许被修改。
2. const与类的成员函数
当对象被声明为const时,该对象不能调用非const函数:
class Number
{
public:
void set(int num) { number = num; }
int get() { return number; }
int number = 0;
};
int main()
{
const Number n;
n.set(1); // 错误,n为const对象,不能调用非const函数
cout << n.get() << endl; // 错误,原因同上
return 0;
}
const对象不能调用非const函数的原因显而易见:非const函数可能修改成员变量。
将成员函数声明为const函数,则可以被const函数调用,声明const函数的方法为在其参数列表后添加const关键字:
class Number
{
public:
void set(int num) const { number = num; } // 错误:const函数不允许修改成员变量
int get() const { return number; } // 正确:函数没有修改成员变量,被声明为const函数
int number = 0;
};
int main()
{
const Number n;
n.set(1); // 错误,const函数不允许修改成员变量
cout << n.get() << endl; // 正确,const对象可以调用const函数
return 0;
}
并非所有成员函数都可以被声明为const函数,C++会在编译时检查被声明为const的函数是否修改了成员变量,若是,则报错,编译不通过。
与底层const形参一样,const成员函数也可以实现重载:
class T
{
public:
int fcn() { return 1; }
int fcn() const { return 2; } // 正确:定义了可以重载的新函数
};
int main()
{
T t1;
cout << t1.fcn() << endl; // 调用第一个函数,输出"1"
const T t2;
cout << t2.fcn() << endl; // 调用第二个函数,输出"2"
return 0;
}
同样,当非常量对象调用函数时,编译器会优先调用非常量版本的函数。
3. 总结
- 当函数不修改成员变量时,尽可能的将函数声明为const函数,因为const函数可以被非const对象和const对象调用,而非const函数只能被非const对象调用。
- const函数并不意味着数据安全,虽然不能通过const函数修改成员变量,但是这样的const仅为顶层const,若成员变量包含非底层const的指针/引用,则依然可以通过这些指针/引用修改其指向/绑定的对象。
4. const成员函数实现机制
一个类包含成员变量和成员函数,更简单一点,一个类包含数据和代码。对象是类的实例,一个类可以构造许多对象,对象们的数据(成员变量)各自独立,而代码(成员函数)共用一份。
通常,我们调用成员函数和调用成员变量的方式类似:
Number n;
n.number; // 调用成员变量
n.set(2); // 调用成员函数
实际上,由于成员函数共享,所以调用成员函数的机制与调用成员变量的机制略有区别,简而言之,编译器先找到类,然后调用类的函数,再隐式地在参数列表中传入一个对象指针(this指针),表示需要操作该对象。
所以,成员函数set()的声明和定义可以理解为:
void Number::set(Number *const this, int num) { number = num; } // 仅作为参考,实际上,C++规定显式定义this指针为非法操作
即,任何一个成员函数都隐式地接受了一个指向对象的this指针。
而在成员函数中对成员变量的默认调用实际上都是使用this指针的隐式调用,比如 number = num 等价于 this->number = num。
那么,C++编译器检查const函数是否修改了成员变量的机制就很好理解了。
只需要将this指针定义为底层const,以表示不能通过改指针修改成员变量:
void Number::set(const Number *const this, int num) { number = num; } // 仅作为参考,实际上,C++规定显式定义this指针为非法操作
第一个const声明了this指针为底层const,而函数中的 number = num 实际为 this->number = num,由于this为底层const,所不能通过this修改number,该操作非法,所以该函数不能声明为const。
本质上,const函数还是通过传统的const机制逐条语句检查来实现的。