C/C++ 中 const 修饰符用法总结
C/C++ 中 const 修饰符用法总结
在这篇文章中,我总结了一些C/C++语言中的 const 修饰符的常见用法,供大家参考。 const 的用法,也是技术性面试中常见的基础问题,希望能够帮大家梳理一下知识,给大家一点点帮助。作者是菜鸟一枚,难免出错,还望各位大牛不吝赐教。
首先,来看看const的基本含义。在 C/C++ 语言中,const关键字是一种修饰符。所谓“修饰符”,就是在编译器进行编译的过程中,给编译器一些“要求”或“提示”,但修饰符本身,并不产生任何实际代码。就 const 修饰符而言,它用来告诉编译器,被修饰的这些东西,具有“只读”的特点。在编译的过程中,一旦我们的代码试图去改变这些东西,编译器就应该给出错误提示。
所以,const修饰符的作用主要是利用编译器帮助我们检查自己代码的正确性。我们使用const在源码中标示出“不应该改变”的地方,然后利用编译器,帮助我们检查这些地方是否真的没有被改变过。如果我们不小心去修改了这些地方,编译器就会报错,从而帮助我们纠正错误。使用const和不使用const,对于最终编译产生的代码并没有影响。
虽然const对于最终代码没有影响,但是尽可能使用const,将帮助我们避免很多错误,提高程序正确率。
在C/C++中,常见 const 用法有以下几种:
一、const 变量
const 变量指的是,此变量的值是只读的,不应该被改变。
- 如果我们在程序中试图修改 const 变量的值,在编译的时候,编译器将给出错误提示。
- 正因为 const 变量的值在给定以后不能改变,所以 const 变量必须被初始化。(如果不初始化,之后还怎么赋值呢?)如果我们不初始化 const 变量,编译时也会有错误提示。
const int debugLevel = 10;
const int logLevel; // 编译错误:未初始化const变量(这个错误是否提示,和所用的编译器有关) debugLevel = 5; // 编译错误:给只读变量赋值
在C++中,const 全局变量被用来替换一般常量宏定义。因为虽然 const 变量的值不能改变,但是依然是变量,使用时依然会进行类型检查,要比宏定义的直接替换方法更严格一些(下文还会讨论这个问题)。
结构体变量也是一种变量,const 结构体变量是什么含义呢?
1 struct debugInfo
2 {
3 int debugLevel;
4 int line;
5 };
6
7 int main( int argc, char *argv[])
8 {
9 const struct debugInfo debug_const1; // 编译错误:未初始化只读变量(与编译器实现有关)
10
11 struct debugInfo debug_not_const;
12
13 debug_not_const.debugLevel = 10;
14 debug_not_const.line = 5;
15
16 const struct debugInfo debug_const2 = debug_not_const;
17
18 debug_const2.debugLevel = 10; // 编译错误:不允许修改只读变量
19 debug_const2.line = 2; // 编译错误:不允许修改只读变量
20
21 return 0;
22 }
在C中,const 结构体变量表示结构体中任何数据域均不允许改变,且需要另一个结构体变量进行初始化。在C++中,struct与class除了默认访问权限之外,并无本质区别。在下一节进行讨论。
二、const 类对象
const类对象指的是,此类对象不应该被改变。
- const 类对象与 const 变量并无实质不同,只在于类对象的 “改变” 定义。
- 类对象的 “改变” 定义:改变任何成员变量的值,调用任何非const成员函数
class CDebugModule
{
public:
CDebugModule() {};
~CDebugModule() {};
public:
int m_debugLevel; public:
void SetDebugLevel(int debugLevel) { m_debugLevel = debugLevel;};
void PrintDebugLevel(void) { cout << m_debugLevel;};
void PrintDebugLevel_const(void) const { cout << m_debugLevel;}; // const 类成员函数
}; int main( int argc, char *argv[])
{
const CDebugModule debug; debug.m_debugLevel = 10; // 编译出错:不能直接改变成员变量
debug.SetDebugLevel(20); // 编译出错:不能通过成员函数改变成员变量
debug.PrintDebugLevel(); // 编译出错:不能调用非 const 成员函数
debug.PrintDebugLevel_const(); // 正常 return 0;
}
不能改变 const 类对象的任何成员变量,这一点比较好理解,因为 const 本身就带有不可改变变量取值(内部状态)的含义。为何const 类成员不能调用非const成员函数呢?我们将在 第九节“const 成员函数” 进行探讨。在C++中,struct和class没有明显差别,不再赘述。
三、指向 const 变量的指针
指向 const 变量的指针,指的是一个指针,其中保存着一个 const 变量的地址。
- 由于指针指向一个 const 变量,所以通过指针,不能修改这个 const 变量的值。
- 虽然指针指向的值不能改变,但是指针的指向可以改变。
const int debugLevel = 10;
const int logLevel = 10; const int *p = &debugLevel;
p = &logLevel; // 正常,指针的指向可以改变 *p = 10; // 编译错误,指针指向的位置是只读的
在 *p = 10, 这一句,编译器是通过“指针的类型”(const int *)还是通过其“指向变量的类型”(const int )来判断只读的呢?我们可以通过下面这个小程序来求证一下:
1 const int debugLevel = 10; // const 变量
2 int logLevel = 10; // 普通变量
3
4 const int *p;
5 int *q;
6
7 p = &logLevel; // 我们让指向 const 变量的指针指向一个普通变量
8 q = (int*)&debugLevel; // 让指向普通变量的指针,指向一个 const 变量
9
10 *q = 5; // 编译正常
11 *p = 5; // 编译出错:位置为只读
通过10、11行程序的编译结果,我们可以看出,如果指针的类型为“指向const变量的指针”,即使其指向的内容是非const变量,也无法通过这个指针改变数据内容。反之,如果指针的类型是“指向非const变量的指针”,即使指向的是const变量,也可以通过这个指针改变const变量的内容(稍后讨论这一点)。所以,编译器是通过 “指针的类型” 来判断是否只读的。
说到这点,我觉得可以这么解释。因为我们没有使用面向对象编程,也就不具备动态判断对象具体类型的能力。所以,编译器只能够静态地判断对象的类型。这样,编译器就只能识别出指针的类型,而不清楚指针指向的内容的具体类型了。当然也就只能通过指针类型来判断内容是否只读了。
在上面,我们通过指针,“改变”了const变量的内容,如果我们在上边的程序中添加上输出,会是什么结果?
12 printf("debugLevel = %d\n", debugLevel);
13 printf("*q = %d\n", *q); 14 printf("debugLevel address = %x\n", &debugLevel);
15 printf("q = %x\n", q);
从上边的说明,我们可以想象,debugLevel的值,被我们通过指针改变了,所以输出应该是:
debugLevel = 5
*q = 5
debugLevel address = 0xbfaff718
q = 0xbfaff718
但是,事实上,这个结果是不确定的!跟您所用的编译器和优化级别有关。我在g++ 4.1.2上,编译运行得出了以下结果:
debugLevel = 10 // 直接打印可以发现,const 变量的值未改变 !
*q = 5 // 通过指针访问,发现 const 变量的值改变了!
debugLevel address = 0xa6a65318
q = 0xa6a65318 // 指针的指向并没有错误
乍一看,好像同一个地址的东西,采用变量名访问和采用指针访问,得到的结果竟然不一样。其实,之所以产生这种结果,是由于在编译器变异的过程中,对 const 变量的访问进行了优化。编译器将 const 变量直接替换为对应的内容。也就是说,在编译的过程中 :
printf("debugLevel = %d\n", debugLevel);
这个语句,被直接替换成了:
printf("debugLevel = %d\n", 10);
所以,才产生了上边的现象。当然,这种替换不一定会发生,跟编译器和优化等级相关。
上文已经提到了,C++建议使用 const 全局变量来替换一般常量的宏定义。通过这个例子可以看出,使用 const 全局变量之后,由于编译器会替换其为具体内容,所以在程序实际运行中,并不会产生一次变量访问,也就使得 const 全局变量和宏定义具有相同的执行效率。同时,使用 const 全局变量,可以让编译器帮助我们进行变量类型检查,提高正确率。
指针也是变量的一种,所以自然有 const 类型指针。
四、const 指针
const指针指的是,一个指针本身经过 const 修饰,自身内容(指针指向)不应该发生改变。
- 指针的指向一经确定,不能改变。指针指向的内容,可以改变。
int logLevel = 10;
int logId = 0; int * const p = &logLevel;
int * const q; // 编译错误,未初始化 const 变量(这个错误是否报告,和所用的编译器有关) *p = 5; // 正常,const指针指向内容可以改变
p = &logId // 编译错误,const指针自身内容(指向)不能改变
指针也是一种变量,只不过其内容保存的是地址而已。所以const指针的内容不能改变,也即是它的指向不能改变。
const指针和指向const变量的指针,在写法上容易使人混淆。给大家介绍一种我自己用着比较顺手的区分方法:从右向左,依次结合,const就近结合。
比如,int * const p 可以这样进行解读:
1、int * ( const p ):变量p 经过 const 修饰,为只读变量。
2、int (* (const p)):(const p 现在作为一个整体) 只读变量p是一个指针。
3、(int (* (const p))):(同样的 * const p 作为一个整体) 这个只读的指针p,指向一个int型变量。
于是,可以区分出 int * const p 是一个指向 int 型的const指针。
再比如,const int * p 可以这样解读:
1、const int (* p):变量p是一个指针。
2、(const int) (* p):(const与就近的 int 结合)这个指针指向 const int 型变量。
所以,const int * p 是一个指向 const 整形变量的指针。
采用这个方法,相信大家可以自己分辨 int const * p的含义了。
值得注意的是,有的编译器对重复的 const 不会报错!所以允许像 const int const *p; 这种写法。在分析这种“错误”的写法时,只要把重复修饰的const忽略即可。
五、指向 const 变量的 const 指针
这种情况是 const 指针和 指向 const 变量的指针的结合,相信大家已经能够自己分析,不再赘述。
六、const 变量作为函数参数
在函数调用的过程中,函数的参数是建立在函数的栈上的变量。既然是变量,就可以通过 const 进行修饰。
- 将函数参数声明为 const 类型,表示对于函数来说,这个参数是一个 const 变量。也就是说,函数内部不能够改变这个参数的值。
- 将函数参数是一个指针,把它声明为 “指向 const 变量的指针” ,允许上层使用 ”指向 const 变量的指针“ 或 普通指针 作为参数,调用函数。(如果参数声明的是普通指针,则不允许使用 指向 const 变量的指针 作为参数调用)(与编译器有关)
1 // 接收一个int变量,并在函数内部,认为它是只读的
2 void OutputInt_const( const int a )
3 {
4 a = 5; // 编译错误:不允许修改只读变量
5 printf("a = %d\n", a);
6 }
7
8 // 接收一个int变量,在函数内部,认为它是普通的
9 void OutputInt_not_const( int a )
10 {
11 a = 5; // 正常
12 printf("a = %d\n", a);
13 }
14
15 // 接收一个 指向const型整形数的指针
16 void OutputInt_p_const( const int *a )
17 {
18 *a = 5; // 编译错误:
19 printf("*a = %d\n", *a);
20 }
21
22 // 接收一个普通指针
23 void OutputInt_p_not_const( int *a )
24 {
25 *a = 5;
26 printf("*a = %d\n", *a);
27 }
28
29 // 主函数
30 int main( int argc, char *argv[])
31 {
32 int logLevel = 10;
33 const int debugLevel = 5;
34
35 OutputInt_const(logLevel);
36 OutputInt_const(debugLevel);
37
38 OutputInt_not_const(logLevel);
39 OutputInt_not_const(debugLevel);
40
41 OutputInt_p_const(&logLevel);
42 OutputInt_p_const(&debugLevel);
43
44 OutputInt_p_not_const(&logLevel);
45 OutputInt_p_not_const(&debugLevel); // 编译错误:从 const int * 到 int * 转换失败(与编译器有关)
46
47 return 0;
48 }
为什么对于指针参数的要求特殊?其实我们可以仔细想一下 const 在修饰参数时的作用。
首先,函数参数是函数内部可见的一个变量。在const 修饰函数参数时,仅仅表示此函数内部对于这个变量的限制。对于传进来的参数,在外边究竟是什么样子的,函数内部并不关心。所以,函数 void OutputInt_const( const int a ) 并不会在意传入的参数在main函数中是否是只读的。它只会在函数内部,将入参当作只读变量处理。
既然 const 修饰函数参数时,不会限制入参是否为只读,为什么 OutputInt_p_not_const( int *a ) 和 OutputInt_p_const( const int *a ) 的调用方式有区别呢(见44、45行)?
其实答案很简单,const 在此处并不是修饰函数参数的!此处的 const ,与 int * 组合,描述了参数的一种类型。OutputInt_p_const函数要求的参数是:指向只读整形的指针。所以,只要调用时传入的参数不是一个指向只读整形数的指针,就会发生类型不匹配。在示例41行的调用中,使用一个 int * 来调用 OutputInt_p_const 函数,发生类型不匹配,但是 int * 可以隐式转换为 const int *,所以此处调用可以成功。但在45行中,采用 const int * 来调用需要 int * 的 OutputInt_p_not_const 函数,发生类型不匹配, const int * 不能够隐式转换为 int *,所以此处调用失败。
为什么 int * 可以隐式转换为 const int *,但是反向就不可以呢?相信各位读者已经想到了。隐式转换不放宽对于变量的要求,而 const 型的变量显然比非 const 型变量要求严格,所以不能由 const int * 转为 int *。
七、const 返回值
const 型的返回值,指的是函数的返回值为一个 const 变量。
- 函数返回const返回值,主要用于函数返回const引用。
1 #include <string>
2
3 using namespace std;
4
5 // 返回 const 引用的函数
6 const string& SetVersion_const(string & versionInfo)
7 {
8 versionInfo = "V0.0.3";
9 return versionInfo;
10 }
11
12 // 返回普通引用的函数
13 string& SetVersion_not_const(string & versionInfo)
14 {
15 versionInfo = "V0.0.3";
16 return versionInfo;
17 }
18
19 // 主函数
20 int main( int argc, char *argv[])
21 {
22 string versionInfo;
23
24 SetVersion_const(versionInfo) = "V0.0.5"; // 编译错误,返回的引用为 const 引用,不允许修改。
25
26 SetVersion_not_const(versionInfo) = "V0.0.5"; // 正常,返回的引用为普通引用,可以修改内容。
27
28 return 0;
29 }
引用是一个对象的别名,相当于 const 指针,其指向已经确定,就不能改变了。而 const 引用,则相当于指向 const 变量的 const 指针,其指向和指向的内容均不允许改变。所以在函数返回 const 引用时,不能够通过函数返回的引用对实际对象进行任何修改,即便对象本身不是 const 的。在本例中,versionInfo 在 main 函数中不是const的。SetVersion_const 函数返回了一个指向 versionInfo 的 const 引用,不能通过此引用,对 versionInfo 进行修改。
为什么会出现这种现象?相信大家都能理解了。请参考 指向 const 变量指针 的相关内容。
八、const 成员变量
const 成员变量指的是类中的成员变量为只读,不能够被修改(包括在类外部和类内部)。
- const 成员变量必须被初始化(在相关构造函数的初始化列表中),初始化后,不能够被修改。
- 静态 const 成员变量需要在类外部单独定义并初始化(可定义在头文件)
1 class CDebugModule
2 {
3 public:
4 CDebugModule();
5 ~CDebugModule();
6
7 public:
8 const int m_debugLevel;
9 static const int m_debugInfo;
10
11 };
12
13 const int CDebugModule::m_debugInfo = 1; // 静态常量成员需要在类外进行单独定义和初始化
14
15 CDebugModule::CDebugModule()
16 : m_debugLevel(10) // const 成员在构造函数初始化列表中初始化
17 {
18 }
19
20 CDebugModule::~CDebugModule()
21 {
22 }
23
24 int main(int argc, char *argv[])
25 {
26 CDebugModule debugModule;
27
28 debugModule.m_debugLevel = 10; // 编译错误,不能改变只读成员
29 CDebugModule::m_debugInfo = 10; // 编译错误,不能改变只读成员
30
31 return 0;
32 }
类对象的实例化过程可以理解为包含以下步骤:首先,开辟整个类对象的内存空间。之后,根据类成员情况,分配各个成员变量的内存空间,并通过构造函数的初始化列表进行初始化。最后,执行构造函数中的代码。由于 const 成员变量必须在定义(分配内存空间)时,就进行初始化。所以需要在够在函数的初始化列表中初始化。const成员在初始化之后,其值就不允许改变了,即便在构造内部也是不允许的。
静态成员变量并不属于某个类对象,而是整个类共有的。静态成员变量可以不依附于某个实例化后的类对象进行访问。那么,静态成员变量的值,应该在任何实例化操作之前,就能够进行改变(否则,只有实例化至少一个对象,才能访问静态成员)。所以,静态成员变量不能够由构造函数进行内存分配,而应该在类外部单独定义,在实例化任何对象之前,就开辟好空间。又由于 const 成员变量 必须初始化,所以静态成员变量必须在定义的时候就初始化。
九、const 成员函数
const成员函数指的是,此函数不应该修改任何成员变量。
- 传给const成员函数的this指针,是指向 const 对象 的 const 指针。
- const成员函数,不能够修改任何成员变量,除非成员变量被 mutable 修饰符修饰。
1 class CDebugModule
2 {
3 public:
4 CDebugModule() {};
5 ~CDebugModule();
6
7 public:
8 int m_debugLevel_not_mutable; // 不带 mutable 修饰的成员变量
9 mutable int m_debugLevel_mutable; // 带 mutable 修饰的成员变量
10
11 public:
12 void SetDebugLevel_not_const(int debugLevel); // 非 const 成员函数
13 void SetDebugLevel_const(int debugLevel) const; // const 成员函数
14 };
15
16 void CDebugModule::SetDebugLevel_not_const(int debugLevel)
17 {
18 m_debugLevel_not_mutable = debugLevel;
19 m_debugLevel_mutable = debugLevel;
20 return;
21 }
22
23 void CDebugModule::SetDebugLevel_const(int debugLevel) const
24 {
25 m_debugLevel_not_mutable = debugLevel; // 编译错误,const 成员函数不能修改一般的成员变量
26 m_debugLevel_mutable = debugLevel; // 正常,当成员变量被 mutable 修饰时,const成员函数就能修改了
27 return;
28 }
29
30 int main(int argc, char *argv[])
31 {
32 CDebugModule debugModule;
33
34 debugModule.SetDebugLevel_not_const(10);
35 debugModule.SetDebugLevel_const(10);
36
37 return 0;
38 }
在成员函数调用的过程中,都有一个 this 指针被当做参数隐性地传递给成员函数(可能通过栈,也可能通过CPU寄存器)。这个this指针,指向调用这个函数的对象(这样,成员函数才能找到成员变量的地址,从而对其进行操作)。这个this指针,是个 const指针,不能修改其指向(你不希望这个对象的函数,修改了那个对象的成员变量,对吧?)。
传递给const成员函数的this指针,指向一个const对象。也就是说,在const成员函数内部,这个this指针是一个指向const对象的const指针。通过第二节的探讨,相信大家已经能够明白,为什么const成员函数不能修改任何成员变量了。
mutable 修饰符使得const函数的行为有了一些灵活性。相当于提醒编译器,这个成员变量比较特殊,就不要进行任何只读检查了。
我们在第二节留下了一个问题 “为什么 const 对象只能够调用const成员函数呢?”,其实是这样的。由于对象本身通过 const 修饰,那么指向这个对象的指针也就是指向const对象的const指针了。换句话说,指向这个对象的this指针就是指向const对象的const指针。一般成员函数要求的this指针(别忘了this指针也是一个参数)为:指向对象的const指针。所以此处发生了参数不匹配,无法进行调用。而 const 成员函数要求的this指针,恰恰是 指向const对象的const指针。所以依然能够调用。
十、总结
const 变量 |
const int a; |
不能修改值,必须初始化 |
const 类对象 |
const MyClass a; |
不能修改成员变量的值,不能调用非 const 函数 |
指向 const 变量的指针 |
const int * a; |
指向内容不可变,指向可变 |
const 指针 |
int * const a; |
指向内容可变,指向不可变 |
指向 const 变量的 const 指针 |
const int * const a; |
指向内容不可变,指向也不可变 const 引用 |
const 变量作为函数参数 |
void myfun(const int a); |
函数内部不能改变此参数 指向 const 变量的指针做参数,允许上层用一般指针调用。(反之不可) |
const 返回值 |
const string& myfun(void); |
用于返回const引用 上层不能使用返回的引用,修改对象 |
const 成员变量 |
const int a; static const int a; |
必须在初始化列表初始化,之后不能改变 static const 成员变量需要单独定义和初始化 |
const 成员函数 |
void myfun(void) const; |
this指针为 指向const对象的const指针 不能修改 非mutable 的成员变量 |
本文的内容就这么多了,感谢您能够看到最后,希望对您能够有一点点帮助 ^_^
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