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。
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