C++總結：C++中的const和constexpr

C++中的const可用於修飾變量、函數，且在不一樣的地方有着不一樣的含義，現總結以下。

const的語義

C++中的const的目的是經過編譯器來保證對象的常量性，強制編譯器將全部可能違背const對象的常量性的操做都視爲error。

對象的常量性能夠分爲兩種：物理常量性（即每一個bit都不可改變）和邏輯常量性（即對象的表現保持不變）。C++中採用的是物理常量性，例以下面的例子：

struct A {
	int *ptr;
};
int k = 5, r = 6;
const A a = {&k};
a.ptr = &r; // !error
*a.ptr = 7; // no error

a是const對象，則對a的任何成員進行賦值都會被視爲error，但若是不改動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，由於A的表現已經改變了！

邏輯常量性的另外一個特色是，const對象中能夠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：

class CTextBlock { 
public: 
	... 
	std::size_t length() const; 
private: 
	char *pText; 
	std::size_t textLength;            // last calculated length of textblock 
	bool lengthIsValid;                // whether length is currently valid 
}; 

CTextBlock對象每次調用length方法後，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若是改變了，實際上是不違背CTextBlock對象的邏輯常量性的，但由於改變了對象中的某些bit，就會被編譯器阻止。C++中爲了解決此問題，增長了mutable關鍵字。

本部分總結：C++中const的語義是保證物理常量性，但經過mutable關鍵字能夠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全部對該變量的賦值行爲。所以，必須在const變量初始化時就提供給它初值：

const int i;
i = 5; // !error
const int j = 10; // ok

這個初值能夠是編譯時即肯定的值，也能夠是運行期才肯定的值。若是給整數類型的const變量一個編譯時初值，那麼能夠用這個變量做爲聲明數組時的長度：

const int COMPILE_CONST = 10;
const int RunTimeConst = cin.get();
int a1[COMPLIE_CONST]; // ok in C++ and error in C
int a2[RunTimeConst]; // !error in C++

由於C++編譯器能夠將數組長度中出現的編譯時常量直接替換爲其字面值，至關於自動的宏替換。（gcc驗證發現，只有數組長度那裏直接作了替換，而其它用COMPILE_CONST賦值的地方並無進行替換。）

文件域的const變量默認是文件內可見的，若是須要在b.cpp中使用a.cpp中的const變量M，須要在M的初始化處增長extern：

//a.cpp
extern const int M = 20;

//b.cpp
extern const int M; 

通常認爲將變量的定義放在.h文件中會致使全部include該.h文件的.cpp文件都有此變量的定義，在連接時會形成衝突。但將const變量的定義放在.h文件中是能夠的，編譯器會將這個變量放入每一個.cpp文件的匿名namespace中，於是屬因而不一樣變量，不會形成連接衝突。（注意：但若是頭文件中的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，會致使不一樣的編譯單元中看到的該const量的值不相等。猜想：此時將該const量做爲某個類的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，規則就有些複雜了。

簡單的說，能夠將指針變量的類型按變量名左邊最近的‘*’分紅兩部分，右邊的部分表示指針變量本身的性質，而左邊的部分則表示它指向元素的性質：

const int *p1; // p1 is a non-const pointer and points to a const int
int * const p2; // p2 is a const pointer and points to a non-const int
const int * const p3; // p3 is a const pointer and points to a const it
const int *pa1[10]; // pa1 is an array and contains 10 non-const pointer point to a const int
int * const pa2[10]; // pa2 is an array and contains 10 const pointer point to a non-const int
const int (* p4)[10]; // p4 is a non-const pointer and points to an array contains 10 const int
const int (*pf)(); // pf is a non-const pointer and points to a function which has no arguments and returns a const int
...

const指針的解讀規則差很少就是這些了……

指針自身爲const表示不可對該指針進行賦值，而指向物爲const則表示不可對其指向進行賦值。所以能夠將引用當作是一個自身爲const的指針，而const引用則是const Type * const指針。

指向爲const的指針是不能夠賦值給指向爲非const的指針，const引用也不能夠賦值給非const引用，但反過來就沒有問題了，這也是爲了保證const語義不被破壞。

能夠用const_cast來去掉某個指針或引用的const性質，或者用static_cast來爲某個非const指針或引用加上const性質：

int i;
const int *cp = &i;
int *p = const_cast<int *>(cp);
const int *cp2 = static_cast<const int *>(p); // here the static_cast is optional

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

類中的const成員變量

類中的const成員變量可分爲兩種：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，由於類中的非static成員是在進入構造函數的函數體以前就要構造完成的，而const常量在構造時就必須初始化，構造後的賦值會被編譯器阻止。

class B {
public:
	B(): name("aaa") {
		name = "bbb"; // !error
	}
private:
	const std::string name;
};

static常量：

static常量是在類中直接聲明的，但要在類外進行惟一的定義和初始值，經常使用的方法是在對應的.cpp中包含類的static常量的定義：

// a.h
class A {
	...
	static const std::string name;
};

// a.cpp
const std::string A::name("aaa");

一個特例是，若是static常量的類型是內置的整數類型，如char、int、size_t等，那麼能夠在類中直接給出初始值，且不須要在類外再進行定義了。編譯器會將這種static常量直接替換爲相應的初始值，至關於宏替換。但若是在代碼中咱們像正常變量那樣使用這個static常量，如取它的地址，而不是像宏同樣只使用它的值，那麼咱們仍是須要在類外給它提供一個定義，但不須要初始值了（由於在聲明處已經有了）。

// a.h
class A {
	...
	static const int SIZE = 50; 
};

// a.cpp
const int A::SIZE = 50; // if use SIZE as a variable, not a macro

const修飾函數

C++中能夠用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自己的const性。在const成員函數中，全部可能違背this指針const性（const成員函數中的this指針是一個雙const指針）的操做都會被阻止，如對其它成員變量的賦值以及調用它們的非const方法、調用對象自己的非const方法。但對一個聲明爲mutable的成員變量所作的任何操做都不會被阻止。這裏保證了必定的邏輯常量性。

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

class A {
public:
	int &operator[](int i) {
		++cachedReadCount;
		return data[i];
	}
	const int &operator[](int i) const {
		++size; // !error
		--size; // !error
		++cachedReadCount; // ok
		return data[i];
	}
private:
	int size;
	mutable cachedReadCount;
	std::vector<int> data;
};

A &a = ...;
const A &ca = ...;
int i = a[0]; // call operator[]
int j = ca[0]; // call const operator[]
a[0] = 2; // ok
ca[0] = 2; // !error

這個例子中，若是兩個版本的operator[]有着基本相同的代碼，能夠考慮在其中一個函數中去調用另外一個函數來實現代碼的重用（參考Effective C++）。這裏咱們只能用非const版本去調用const版本。

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

其中爲了不調用自身致使死循環，首先要將*this轉型爲const A &，可使用static_cast來完成。而在獲取到const operator[]的返回值後，還要手動去掉它的const，可使用const_cast來完成。通常來講const_cast是不推薦使用的，但這裏咱們明確知道咱們處理的對象實際上是非const的，那麼這裏使用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經過各類肯定的運算獲得的。constexpr值可用於enum、switch、數組長度等場合。

constexpr所修飾的變量必定是編譯期可求值的，所修飾的函數在其全部參數都是constexpr時，必定會返回constexpr。

constexpr int Inc(int i) {
	return i + 1;
}

constexpr int a = Inc(1); // ok
constexpr int b = Inc(cin.get()); // !error
constexpr int c = a * 2 + 1; // ok

constexpr還能用於修飾類的構造函數，即保證若是提供給該構造函數的參數都是constexpr，那麼產生的對象中的全部成員都會是constexpr，該對象也就是constexpr對象了，可用於各類只能使用constexpr的場合。注意，constexpr構造函數必須有一個空的函數體，即全部成員變量的初始化都放到初始化列表中。

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. 編譯器能夠在編譯期對constexpr的代碼進行很是大的優化，好比將用到的constexpr表達式都直接替換成最終結果等。
3. 相比宏來講，沒有額外的開銷，但更安全可靠。