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C++箴言:只要可能就用const

編輯:C++入門知識
 關於 const 的一件美妙的事情是它允許你指定一種語義上的約束:一個特定的對象不應該被修改。而編譯器將執行這一約束。它允許你通知編譯器和其他程序員,某個值應該保持不變。如果確實如此,你就應該明確地表示出來,因為這樣一來,你就可以謀取編譯器的幫助,確定這個值不會被改變。

  關鍵字 const 非常多才多藝。在類的外部,你可以將它用於全局常量或命名空間常量,就像那些在文件、函數或模塊范圍內被聲明為 static 的對象。在類的內部,你可以將它用於 static 和 non-static 數據成員上。對於指針,你可以指定這個指針本身是 const,或者它所指向的數據是 const,或者兩者都是,或者都不是。

char greeting[] = "Hello";

char *p = greeting; // non-const pointer,
// non-const data

const char *p = greeting; // non-const pointer,
// const data

char * const p = greeting; // const pointer,
// non-const data

const char * const p = greeting; // const pointer,
// const data

  這樣的語法本身其實並不像表面上那樣反復無常。如果 const 出現在 * 左邊,則指針指向的內容為常量;如果 const 出現在 * 右邊,則指針自身為常量;如果 const 出現在 * 兩邊,則兩者都為常量。

  當指針指向的內容為常量時,一些人將 const 放在類型之前,另一些人將 const 放在類型之後 * 之前。兩者在意義上並沒有區別,所以,如下兩個函數具有相同的參數類型:

void f1(const Widget *pw); // f1 takes a pointer to a
// constant Widget object

void f2(Widget const *pw); // so does f2

  因為它們都存在於實際的代碼中,你應該習慣於這兩種形式。

  STL iterators 以指針為原型,所以一個 iterator 在行為上非常類似於一個 T* 指針。聲明一個 iterator 為 const 就類似於聲明一個指針為 const(也就是說聲明一個 T* const 指針):不能將 iterator 指向另外一件不同的東西,但是它所指向的東西本身可以變化。如果你要一個 iterator 指向一個不能變化的東西(也就是 const T* 的 STL 對等物),你應該用 const_iterator:

std::vector<int> vec;
...
const std::vector<int>::iterator iter = // iter acts like a T* const

vec.begin();

*iter = 10; // OK, changes what iter points to

++iter; // error! iter is const

std::vector<int>::const_iterator cIter = //cIter acts like a const T*

vec.begin();

*cIter = 10; // error! *cIter is const

++cIter; // fine, changes cIter

  對 const 最強有力的用法來自於它在函數聲明中的應用。在一個函數聲明中,const 既可以用在函數返回值上,也可以用在個別的參數上,對於成員函數,還可以用於整個函數。

  一個函數返回一個常量,常常可以在不放棄安全和效率的前提下盡可能減少客戶的錯誤造成的影響。例如,考慮在 Item 24 中考察的 rational 成員 operator* 的聲明:

class Rational { ... };

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

  很多第一次看到這些的人會不以為然。為什麼 operator* 的結果應該是一個 const 對象?因為如果它不是,客戶就可以犯下如此暴行:

Rational a, b, c;
...
(a * b) = c; // invoke operator= on the
// result of a*b!

  我不知道為什麼一些程序員要為兩個數的乘積賦值,但是我知道很多程序員這樣做也並非不稱職。所有這些可能來自一個簡單的輸入錯誤(要求這個類型能夠隱式轉型到 bool):

if (a * b = c) ... // oops, meant to do a comparison!
  如果 a 和 b 是內建類型,這樣的代碼顯而易見是非法的。一個好的用戶自定義類型的特點就是要避免與內建類型毫無理由的不和諧,而且對我來說允許給兩個數的乘積賦值看上去正是毫無理由的。將 operator* 的返回值聲明為 const 就可以避免這一點,這就是我們要這樣做的理由。

  關於 const 參數沒什麼特別新鮮之處——它們的行為就像局部的 const 對象,而且無論何時,只要你能,你就應該這樣使用。除非你需要改變一個參數或本地對象的能力,否則,確認將它聲明為 const。它只需要你鍵入六個字符,就能將你從我們剛剛看到的這個惱人的錯誤中拯救出來:“我想鍵入‘==’,但我意外地鍵入了‘=’”。

  const 成員函數

  成員函數被聲明為 const 的目的是確信這個函數可能會被 const 對象調用。因為兩個原因,這樣的成員函數非常重要。首先,它使一個類的接口更容易被理解。知道哪個函數可以改變對象而哪個不可以是很重要的。第二,它們可以和 const 對象一起工作。書寫高效代碼有一個很重要的方面,就像 Item 20 所解釋的,提升一個 C++ 程序的性能的基本方法就是就是傳遞一個對象的引用給一個 const 參數。這個技術只有在 const 候選對象有 const 成員函數可操作時才是可用的。

  很多人沒有注意到這樣的事實,即成員函數只有常量性不同時是可以被重載的,這是 C++ 的一個重要特性。考慮一個代表文字塊的類:

class TextBlock {

  public:
   ...
   const char& operator[](std::size_t position) const // operator[] for
   { return text[position]; } // const objects
   char& operator[](std::size_t position) // operator[] for
   { return text[position]; } // non-const objects
  private:
   std::string text;
};

  TextBlock 的 operator[]s 可能會這樣使用:

TextBlock tb("Hello");

std::cout << tb[0]; // calls non-const
// TextBlock::operator[]

const TextBlock ctb("World");

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

  順便提一下,const 對象在實際程序中最經常使用的是作為這樣一個操作的結果:將指針或者引用傳遞給 const 參數。上面的 ctb 的例子是人工假造的。下面這個例子更真實一些:

void print(const TextBlock& ctb) // in this function, ctb is const
{
  std::cout << ctb[0]; // calls const TextBlock::operator[]
  ...
}

  通過將 operator[] 重載,而且給不同的版本不同的返回類型,你能對 const 和 non-const 的 TextBlocks 做不同的操作:

std::cout << tb[0]; // fine - reading a
// non-const TextBlock

tb[0] = ’x’; // fine - writing a
// non-const TextBlock

std::cout << ctb[0]; // fine - reading a
// const TextBlock

ctb[0] = ’x’; // error! - writing a
// const TextBlock

  請注意這個錯誤只是發生在調用 operator[] 的返回類型上,而調用 operator[] 本身總是正確的。錯誤出現在企圖為 const char& 賦值的時候,而這正是 const 版本的 operator[] 的返回類型。

  再請注意 non-const 版本的 operator[] 的返回類型是一個字符的引用而不是字符本身。如果 operator[] 只是簡單地返回一個字符,下面的語句將無法編譯:

tb[0] = ’x’;
  因為改變一個返回內建類型的函數的返回值總是非法的。如果它合法,那麼 C++ 以值(by value)返回對象這一事實(參見 Item 20)就意味著 tb.text[0] 的副本被改變,而不是 tb.text[0] 自己,這不會是你想要的行為。

  讓我們為哲學留一點時間。看看一個成員函數是 const 意味著什麼?有兩個主要的概念:二進制位常量性(bitwise constness)(也稱為物理常量性(physical constness))和邏輯常量性(logical constness)。

  二進制位 const 派別堅持認為,一個成員函數,當且僅當它不能改變對象的任何數據成員(static 成員除外),也就是說不能改變對象內的任何二進制位,則這個成員函數就是 const。二進制位常量性的一個好處是比較容易監測違例:編譯器只需要尋找對數據成員的賦值。實際上,二進制位常量性就是 C++ 對常量性的定義,一個 const 成員函數不被允許改變調用它的對象的任何 non-static 數據成員。
不幸的事,很多成員函數並不能完全通過二進制位常量性的檢驗。特別是,一個經常改變一個指針指向的內容的成員函數。除非這個指針在這個對象中,否則這個函數就是二進制位 const 的,編譯器也不會提出異議。例如,假設我們有一個類似 TextBlock 的類,因為它需要與一個不知 string 為何物的 C API 打交道,所以它需要將它的數據存儲為 char* 而不是 string。

class CTextBlock {
  public:
   ...
   char& operator[](std::size_t position) const // inappropriate (but bitwise

   { return pText[position]; } // const) declaration of
   // operator[]
  private:
   char *pText;
};

  盡管 operator[] 返回對象內部數據的引用,這個類還是(不適當地)將它聲明為 const 成員函數(Item 28 將談論一個深入的主題)。先將它放到一邊,看看 operator[] 的實現,它並沒有使用任何手段改變
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