详解C++中的const和constexpr

2024-04-02 19:04:59 753人浏览独家记忆

摘要

目录一.const常量与#define比较二.const修饰1.修饰普通变量，必须初始化2.修饰类变量和成员变量3.修饰成员函数4.修饰指针5.修饰引用三.const转换四.顶层co

一.const常量与#define比较

define只是简单的替换，没有类型，const可以做到防窜改与类型安全。
而且#define会在内存中可能(有几次替换就有几次拷贝)有多份拷贝，对于字面值常量加不加const都一样，例如：const char* arr = “123”;，储存在常量区，只有一份拷贝；对于局部对象，常量存放在栈区，例如：void add(){const char crr[] = “123”;},这里“123”本应储存在栈上，但编译器可能会做某些优化，将其放入常量区；对于全局对象，常量存放在全局/静态存储区；用const会比#define使用更少的空间，效率更高。
这里有一个小例子：char* brr = "123"; char drr[] = "123";前者字符串123存在常量区，不能通过brr去修改"123"的值；后者"123"保存在栈区，可以通过drr去修改。
现在C++除了一些特定用法，推荐用const,inline,enum等替换宏——来自《Effective C++》条款02

二.const修饰

1.修饰普通变量，必须初始化

const int a = 10; 表示int对象a，是一个常量，不可以改变值，从编译器生成二进制角度看，生成的a存放在.rodata段，也就是只读(readonly)区域。不过并不绝对，有的时间统计优化等级开的高，也不取地址，可能会优化成立即数在.text段中。

2.修饰类变量和成员变量


class cAAA{
public:
    cAAA(int a) : m_iV(a){}
    const int GetValue() const {return m_iV;}
    void AddValueOneTime(){m_iChangeV++;}
private:
    const int m_iV;
public:
    mutable int m_iChangeV;
    static const int m_iStaticV;
};
static const int m_iStaticV = 1000;

const cAAA aa(100);
aa.GetValue();
aa.m_iChangeV++;

cAAA类成员m_iV是const变量，必须放到初始化列表中进行初始化，不能进行赋值。
对于静态常成员，与普通静态成员类似，推荐放到类外.cpp中初始化。
aa只能调用const函数，如aa.GetValue(),不能调用非常成员函数aa.AddValueOneTime()。
对于这种const对象，又想修改成员，可以在成员声明加上mutable，这样const对象aa也可以修改m_iChangeV,这种用法比较少。

3.修饰成员函数

表示这个函数可以被const对象调用，也可以被普通对象调用，不会改变对象的成员，也就是说更像一种只读不写型的逻辑运算，所以有些人推荐类成员函数，可以都加上const。有一个小技巧，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版本可避免代码重复；但反过来不行，const函数内部也必须只能调用const函数—— 《Effective C++》条款03
有一点要注意，编译器强制实施bitwase constness，但编写程序时应该使用conceptual constness，解决编译器的bitwase constness属性就用到了上述的mutable。关于介绍bitwase constness的具体表现可以参考《Effective C++》条款03。

4.修饰指针


const char* p1;
char const *p2;
char* const p3;
const char* const p4;

对于初学者来说这大概是很难理解的一个知识点，怎么区分这四个呢？记住秘诀，直接从右向左读就一招制敌了。

p1是一个指针，指向char字符常量，表示p1所指对象内容不可以改，所指地址可以改。
p2同p1，写法不同，两者等价。
p3是一个常量，且是个指针，指向char字符，表示p3所指对象内容可以改，所指地址不可以改。
p4是一个常量，且是个指针，指向char字符常量，表示p4所指对象内容不可以改，且所指地址也不可以改。
相对来说p1,p2是最常用传参或者返回值的手段。

5.修饰引用

修饰引用和对象差不多，对象内容不可以改变。作为函数参数传参数，不存在copy开销，这是比较推荐的写法，例如：拷贝构造函数，赋值构造，STL里用于比较的函数或者仿函数，详情请参阅《Effective C++》条款20。bool Less(const cAAA& left, const cAAA& right);


float dValue = 1.05f;
const int& a = dValue;

const int iTemp = dValue;
const int& a = iTemp;

因为常引用不能改变，这种情况下编译器会创建一个临时变量来处理隐式转换，我们实际是对临时变量进行了常引用。

三.const转换

一般来说，从T*转换到const T*是比较简单的，且编译器支持的隐式转换，也可以显示的用模板处理，例如我们简单写一下RemoveConst模板，最后用using化名一下。但从const T*到T*就麻烦一些，推荐使用const_cast。


template <typename T>
struct RemoveConst{
    typedef T Type;
};

template <typename T>
struct RemoveConst<const T>{
    typedef T Type;
};

template <typename T>
using RCType = typename RemoveConst<T>::Type;

四.顶层const与底层const

简单来说const修饰的对象本身不能改变就是顶层const，但如果是指针或者引用的对象不能改变，则称为底层const。
const int cV = 10; cV是顶层const，本身不能改变
char const *p2; p2是底层const，p2本身值可以改变，但所指内容不可以改变
char* const p3; p3是顶层const，p3的本身值不可以改变
const char* const p4; p4既是顶层const，又是底层const
注：对于上述模板RCType是无法移除p2这种底层const，如果要移除，请用const_cast<T*>移除，但这种操作可能引起Crash或者未知风险


const char* pA = "sss";
char* pB = const_cast<char*>(pA);
auto pC = RCType<decltype(pA)>(pA);
std::cout << "type is the same: " << std::is_same<decltype(pB), decltype(pC)>::value << std::endl;
std::cout << "pB Type Name: " << typeid(pB).name() << "pc Type Name: " << typeid(pC).name() << std::endl;
//pB[0] = 'A';//error, Segmentation fault

五.C++11新引入的constexpr

这个关键字表示这是一个常量表达式，是一个编译期就可以确认的值，最常用于模板中，例如模板递归求值。
它可不只是变量，例如：


const int iSize1 = sizeof(int);
const int iSize2 = GetSize();

iSize1是个常量，编译期的，但iSize2就不一定，它虽然不能改变，但要到GetSize()执行结束，才能知道具体值，这与常量一般在编译期就知道的思想不符，解决这个问题的方法就是改为：constexpr int iSize2 = GetSize(); 这样要求GetSize()一定要能在编译期就算出值，下面几个例子中GetSizeError()就会编译失败。GetFibo函数，编译期就已经递归计算出值。


constexpr int GetSize(){
  return sizeof(int) + sizeof(double);
}

constexpr int GetSizeError(){
  return random();
}

constexpr int GetCalc(int N){
  return N <= 1 ? 1 : N * GetCalc(N - 1);
}

const int iSize1 = sizeof(int);
constexpr int iSize2 = GetSize();
//constexpr int iSize3() = GetSizeError();
constexpr int iSize4 = GetCalc(10);
std::cout << iSize1 << " " << iSize2 << " " << iSize4 <<std::endl;

当然我们可以用模板写GetCalc函数：


template <int N>
struct TCalc{
  static constexpr int iValue = N * TCalc<N-1>::iValue;
};

template <>
struct TCalc<1>{
  static constexpr int iValue = 1;
};
std::cout << TCalc<10>::iValue << std::endl;