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C++總結：C++中的const和constexpr(轉)

本文轉載自   查看原文   2014-03-25 17:13   3649    C++/ c++語言--轉載

C++總結：C++中的const和constexpr

C++中的const可用於修飾變量、函數，且在不同的地方有着不同的含義，現總結如下。

const的語義

C++中的const的目的是通過編譯器來保證對象的常量性，強制編譯器將所有可能違背const對象的常量性的操作都視為error。

對象的常量性可以分為兩種：物理常量性（即每個bit都不可改變）和邏輯常量性（即對象的表現保持不變）。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;

*a.ptr = 7;

a是const對象，則對a的任何成員進行賦值都會被視為error，但如果不改動ptr，而是改動ptr指向的對象，編譯器就不會報錯。這實際上違背了邏輯常量性，因為A的表現已經改變了！

邏輯常量性的另一個特點是，const對象中可以有某些用戶不可見的域，改變它們不會違背邏輯常量性。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;           

    bool lengthIsValid;               

};

CTextBlock對象每次調用length方法后，都會將當前的長度緩存到textLength成員中，而lengthIsValid對象則表示緩存的有效性。這個場景中textLength和lengthIsValid如果改變了，其實是不違背CTextBlock對象的邏輯常量性的，但因為改變了對象中的某些bit，就會被編譯器阻止。C++中為了解決此問題，增加了mutable關鍵字。

本部分總結：C++中const的語義是保證物理常量性，但通過mutable關鍵字可以支持一部分的邏輯常量性。

const修飾變量

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

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const int i;

i = 5;

const int j = 10;

這個初值可以是編譯時即確定的值，也可以是運行期才確定的值。如果給整數類型的const變量一個編譯時初值，那么可以用這個變量作為聲明數組時的長度：

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const int COMPILE_CONST = 10;

const int RunTimeConst = cin.get();

int a1[COMPLIE_CONST];

int a2[RunTimeConst];

因為C++編譯器可以將數組長度中出現的編譯時常量直接替換為其字面值，相當於自動的宏替換。（gcc驗證發現，只有數組長度那里直接做了替換，而其它用COMPILE_CONST賦值的地方並沒有進行替換。）

文件域的const變量默認是文件內可見的，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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extern const int M = 20;

extern const int M;

一般認為將變量的定義放在.h文件中會導致所有include該.h文件的.cpp文件都有此變量的定義，在鏈接時會造成沖突。但將const變量的定義放在.h文件中是可以的，編譯器會將這個變量放入每個.cpp文件的匿名namespace中，因而屬於是不同變量，不會造成鏈接沖突。（注意：但如果頭文件中的const量的初始值依賴於某個函數，而每次調用此函數的返回值不固定的話，會導致不同的編譯單元中看到的該const量的值不相等。猜測：此時將該const量作為某個類的static成員可能會解決此問題。）

const修飾指針與引用

const修飾引用時，其意義與修飾變量相同。但const在修飾指針時，規則就有些復雜了。

簡單的說，可以將指針變量的類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，而左邊的部分則表示它指向元素的性質：

const指針的解讀規則差不多就是這些了……

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

指向為const的指針是不可以賦值給指向為非const的指針，const引用也不可以賦值給非const引用，但反過來就沒有問題了，這也是為了保證const語義不被破壞。

可以用const_cast來去掉某個指針或引用的const性質，或者用static_cast來為某個非const指針或引用加上const性質：

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int i;

const int *cp = &i;

int *p = const_cast<int *>(cp);

const int *cp2 = static_cast<const int *>(p);

C++類中的this指針就是一個自身為const的指針，而類的const方法中的this指針則是自身和指向都為const的指針。

類中的const成員變量

 

類中的const成員變量可分為兩種：非static常量和static常量。

非static常量：

類中的非static常量必須在構造函數的初始化列表中進行初始化，因為類中的非static成員是在進入構造函數的函數體之前就要構造完成的，而const常量在構造時就必須初始化，構造后的賦值會被編譯器阻止。

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class B {

public:

    B(): name("aaa") {

        name = "bbb";

    }

private:

    const std::string name;

};

static常量：

static常量是在類中直接聲明的，但要在類外進行唯一的定義和初始值，常用的方法是在對應的.cpp中包含類的static常量的定義：

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class A {

    ...

    static const std::string name;

};

const std::string A::name("aaa");

一個特例是，如果static常量的類型是內置的整數類型，如char、int、size_t等，那么可以在類中直接給出初始值，且不需要在類外再進行定義了。編譯器會將這種static常量直接替換為相應的初始值，相當於宏替換。但如果在代碼中我們像正常變量那樣使用這個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外給它提供一個定義，但不需要初始值了（因為在聲明處已經有了）。

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class A {

    ...

    static const int SIZE = 50;

};

const int A::SIZE = 50;

const修飾函數

C++中可以用const去修飾一個類的非static成員函數，其語義是保證該函數所對應的對象本身的const性。在const成員函數中，所有可能違背this指針const性（const成員函數中的this指針是一個雙const指針）的操作都會被阻止，如對其它成員變量的賦值以及調用它們的非const方法、調用對象本身的非const方法。但對一個聲明為mutable的成員變量所做的任何操作都不會被阻止。這里保證了一定的邏輯常量性。

另外，const修飾函數時還會參與到函數的重載中，即通過const對象、const指針或引用調用方法時，優先調用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;

        --size;

        ++cachedReadCount;

        return data[i];

    }

private:

    int size;

    mutable cachedReadCount;

    std::vector<int> data;

};

A &a = ...;

const A &ca = ...;

int i = a[0];

int j = ca[0];

a[0] = 2;

ca[0] = 2;

這個例子中，如果兩個版本的operator[]有着基本相同的代碼，可以考慮在其中一個函數中去調用另一個函數來實現代碼的重用（參考Effective C++）。這里我們只能用非const版本去調用const版本。

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int &A::operator[](int i) {

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

}

其中為了避免調用自身導致死循環，首先要將*this轉型為const A &，可以使用static_cast來完成。而在獲取到const operator[]的返回值后，還要手動去掉它的const，可以使用const_cast來完成。一般來說const_cast是不推薦使用的，但這里我們明確知道我們處理的對象其實是非const的，那么這里使用const_cast就是安全的。

constexpr

constexpr是C++11中新增的關鍵字，其語義是“常量表達式”，也就是在編譯期可求值的表達式。最基礎的常量表達式就是字面值或全局變量/函數的地址或sizeof等關鍵字返回的結果，而其它常量表達式都是由基礎表達式通過各種確定的運算得到的。constexpr值可用於enum、switch、數組長度等場合。

constexpr所修飾的變量一定是編譯期可求值的，所修飾的函數在其所有參數都是constexpr時，一定會返回constexpr。

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constexpr int Inc(int i) {

    return i + 1;

}

constexpr int a = Inc(1);

constexpr int b = Inc(cin.get());

constexpr int c = a * 2 + 1;

constexpr還能用於修飾類的構造函數，即保證如果提供給該構造函數的參數都是constexpr，那么產生的對象中的所有成員都會是constexpr，該對象也就是constexpr對象了，可用於各種只能使用constexpr的場合。注意，constexpr構造函數必須有一個空的函數體，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. 是一種很強的約束，更好地保證程序的正確語義不被破壞。
  2. 編譯器可以在編譯期對constexpr的代碼進行非常大的優化，比如將用到的constexpr表達式都直接替換成最終結果等。
  3. 相比宏來說，沒有額外的開銷，但更安全可靠。

 

原文鏈接：http://www.cnblogs.com/fuzhe1989/p/3554345.html


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