Effective C++_笔记_条款03_尽可能使用const

（整理自Effctive C++，转载请注明。整理者：华科小涛@http://www.cnblogs.com/hust-ghtao/）

关键字const多才多艺，语法变化多端。关于const的基本用法，可以参见我的博客@http://www.cnblogs.com/hust-ghtao/p/3735941.html。

本篇博客主要讲了应用const时应该注意的地方。

1 令函数返回一个常量值

令函数返回一个常量值，往往可以降低客户因错误而造成的意外，而又不至于放弃安全性和高效性。例如有理数operator*的声明式：

   1: class Rational {...};

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

这样做是为了防止客户实现这样的行为：

   1: Rational a , b , c ;

   2: ...

   3: (a*b) = c ;//在a*b的结果上调用operator=

对两个数的乘积再做一次赋值的行为本身很诡异，但程序员会在无意识中那么做，只因为单纯的打字错误：

   1: if( a*b = c )...//哦，原来只是想做个比较

如果a和b都是内置类型，这样的代码直接了当就是不合法。而一个“良好的用户自定义类型”的特征是它们避免无端地与内置类型不兼容。将函数operator*的返回值声明为const可以预防那个“没意思的赋值动作”。

至于const参数，就像local const对象一样，你应该在必要使用它们的时候使用它们。除非你有需要改动参数或local对象，否则请将它们声明为const。多打几个字符，却可以省下恼人的错误。

2 const 成员函数

2.1 用时注意什么

将const 实施于成员函数的目的，是为了确认该成员函数可作用于const对象身上。它之所以重要有两个原因：

（1）使class接口比较容易被理解。这是因为，得知哪个函数可以改动对象内容而哪个函数不行，很是重要。

（2）使“操作const对象”成为可能。这对编写高效代码是个关键，因为改善C++程序效率的一个根本办法是以pass by reference-to-const方式传递对象，而此技术可行的前提是，有const成员函数可用来处理取得的const对象。

两个成员函数如果只是常量性不同，可以被重载。例如，考虑以下class，用来表现一大块文字：

   1: class TextBlock

   2: {

   3: public:

   4:     ...

   5:     const char& operator[]( size_t position ) const //operator[] for const 对象

   6:     { 

   7:         return text[position] ;

   8:     } 

   9:  

  10:     char& operator[]( size_t position )  //operator[] for non-const 对象

  11:     {

  12:         return text[position] ;

  13:     }

  14:  

  15: private:

  16:     string text ;

  17: };

TextBlock的operator[]s可被这么使用:

   1: TextBlock tb("Hello") ;

   2: cout << tb[0] ;  //调用non-const TextBlock::operator[]

   3:  

   4: const TextBlock ctb("World") ;

   5: cout << ctb[0] ;  //调用const TextBlock::operator[]

上述例子太过造作，因为在真实程序中const大多用于passed by pointer-to-const 或 passed by reference-to-const 的传递结果。下述例子比较真实：

   1: void print ( const TextBlock& ctb ) 

   2: {

   3:     ...

   4:     cout << ctb[0] ;  //调用const TextBlock::operator[]

   5: }

注意:只要重载operator[]并对不同版本给予不同的返回类型，就可以令const和non-const TextBlock获得不同的处理:

   1: cout << tb[0] ; //OK

   2: tb[0] = 'x' ; //OK

   3:  

   4: cout << ctb[0] ; //OK

   5: ctb[0] = 'x' ; // WRONG!试图写一个const TextBlock

上述错误是因为operator[]的返回类型导致，至于operator[]调用自身没问题。错误起因于企图对一个“由const版本之operator[]返回”的const char&施行赋值动作。

另外，non-const operator[]的返回类型是个refercnce to char ，不是char。如果operator[]只是返回一个char，下面这样的句子就无法通过编译：

   1: tb[0]='x' ;

那是因为,如果函数的返回类型是个内置类型，那么改动函数的返回值从来就不合法。纵使合法，C++以by-value返回对象这一事实意味被改动的其实是tb.text[0]的一个副本，不是它本身，那不是你想要的行为。

2.2 bitwise constness 和 logical constness

其实在我们谈论const成员函数的时候，对于其中const的真正含义，还没有一个统一的认识，有两种流派：bitwise constness 和 logical constness。

（1）bitwise constness

此阵营的人认为，成员函数只有在不改变对象之任何成员变量（static除外）时才可以说是const。也就是说它不更改对象内的任何一个bit。这种论点的好处是很容易侦测违反点：编译器只需寻找成员变量的赋值动作即可。bitwise constness 正是C++对常量性的定义，因此const成员函数不可以更改对象内任何non-static成员变量。不幸的是许多成员函数虽然不具备十足const性质却能通过bitwise测试。更具体的说，一个更改了“指针所指物”的成员函数虽然不能算是const，但如果只有指针隶属于对象，那么此函数为bitwise const不会引发编译器异议。这导致反直观结果。

例如：

   1: class CTextBlock{

   2: public:

   3:     ...

   4:     char& operator[]( size_t position ) const  //bitwise const 声明，但其实不恰当

   5:     { return pText[position] ; }

   6: private:

   7:     char* pText ;

   8: };                                    

请注意，operator[]实现代码并不更改pText。于是编译器为operator[]产生目标代码。它是bitwise const，所有编译器都这么认定。但是看看它允许编译器发生什么事情：

   1: const CTextBlock cctb("Hello") ; //声明一个常量对象

   2: char* pc = &cctb[0] ; //调用const operator[]取得一个指针，指向cctb的数据。

   3: *pc = 'J' ; //cctb现在有了"Jello"这样的内容

这其中当然不该有任何错误：你创建一个常量对象并设以某值，而且只对它调用const成员函数。但终究你还是改变了它的值。这种情况导出所谓的logical constness 。

（2）logical constness

    这一派拥护者主张，一个const成员函数可以修改它所处理的对象内的某些bits，但只有在客户侦测不出的情况下才得以如此。例如CTextBlock class有可能高速缓存文本区的长度以便应付查询：

   1: class CTextBlock{

   2: public:

   3:     ...

   4:     size_t length() const ;

   5: private:

   6:     char* pText ;

   7:     size_t textLength ; //最近一次计算的文本区块的长度。

   8:      bool lengthIsValid ; //目前的长度是否有效。

   9: };

  10:  

  11: size_t CTextBlock::length() const 

  12: {

  13:     if(!lengthIsValid ){

  14:         textLength = strlen(pText ) ;  //错误！在const成员函数内不能赋值给textLength 和lengthIsValid 

  15:         lengthIsValid = true ;

  16:     }

  17:     return textLength ;

  18: }

length的实现当然不是bitwise const ，因为textLength和lengthIsValid都可能被修改。这两笔数据对于const CTextBlock对象而言虽然可接受，但编译器不同意。

编译器坚持bitwise constness ,但有时客户需要logical constness ，为了解决这个矛盾：利用C++的一个与const相关的摆动场：mutable。mutable释放掉non-static成员变量的bitwise constness约束。

2.3 在const和non-const成员函数中避免重复

假设TextBlock内的operator[]不单只是返回一个reference指向某字符，也执行边界检查、志记访问信息、甚至可能进行数据完善行检验。把所有这些同时放进const和non-const中将会导致大量的代码重复。

   1: class TextBlock{

   2: public:

   3:     ...

   4:     const char& operator[]( size_t position )  const

   5:     {

   6:         ...                //边界检查

   7:         ...                    //志记数据访问

   8:         ...                   //检查数据完整性

   9:         return text[position] ;

  10:     }

  11:  

  12:     char& operator[]( size_t position )

  13:     {

  14:         ...                //边界检查

  15:        ...                    //志记数据访问

  16:        ...                   //检查数据完整性

  17:        return text[position] ;

  18:     }

  19: private:

  20:     string text ; 

  21: }; 

你能说出其中发生的代码重复以及伴随的编译时间、维护、代码膨胀等问题吗？当然，将边界检查…等所代码移到另一个成员函数中并令两个版本的operator[]调用它，是可能的，但你还是重复了一些代码，例如函数的调用、两次return语句等。

真正应该做的是实现operator[]的机能一次并使用它两次。也就是说，你必须令其中一个调用另一个。这促使我们常量性转除（casting away constness）。本例中，const

operator[]完全做掉了non-const版本该做的一切，唯一不同的是返回类型多了一个const资格修饰。这种情况下如果将返回值的返回值的const转除是安全的，因为不论谁调用non-const operator[]都一定首先有个non-const对象，否则就不能够调用non-const函数。所以令non-const operator[]调用其const兄弟是一个避免代码重复的安全做法---即使过程中需要一个转型动作。

   1: class TextBlock{

   2: public:

   3:     ...

   4:     const char& operator[](size_t position) const 

   5:     {

   6:         ...

   7:         ...

   8:         ...

   9:         return text[position] ;

  10:     }

  11:  

  12:     char& operator[](size_t position)

  13:     {

  14:         return 

  15:             const_cast<char&>(                        //将op[]返回值的const转除

  16:                 static_cast<const TextBlock&>(*this)  //为*this加上const

  17:                     [position]                        //调用const op[]

  18:             );

  19:     }

  20: ...

  21: };

这份代码有两个转型动作：第一次用来为 *this 添加const（这使得接下来调用operator[]时得以调用const版本），第二次则是从const operator[]返回之中移除const。

值得了解的是，反向做法——令const版本调用non-const版本以避免重复——并不是你应该做的事。记住，const成员函数承诺绝不改变其对象的逻辑状态，non-const成员函数却没有这般承诺。如果在const 函数内调用non-const函数，就是冒了这样的风险：你曾经承诺不改动的那个对象被改动了。

反向调用才是安全的：non-const成员函数本来就可以对其对象做任何动作，所以在其中调用一个const成员函数不会带来风险。

请记住：

(1) 将某些东西声明为const可帮助编译器侦测出错误用法。const可被施加于任何作用域内的对象、函数参数、函数返回类型、成员函数本体。

(2) 编译器强制实施bitwise constness ，但你编写的程序应该使用logical constness。

(3) 当const和non-const成员函数有着实质等价的实现时，令non-const版本调用const版本可避免代码的重复。