C++中const、volatile、mutable、explicit的用法

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本文详细解析了C++中的const、volatile、mutable等修饰符的使用方法及其应用场景，包括它们如何影响变量、指针及成员函数的行为。同时，还介绍了explicit关键字在构造函数中的作用。

Const用法

const修饰普通变量和指针

const修饰变量，一般有两种写法：

const TYPE value;
TYPE const value;

这两种写法在本质上是一样的。它的含义是：const修饰的类型为TYPE的变量value是不可变的。对于一个非指针的类型TYPE，无论怎么写，都是一个含义，即value值不可变。例如：

const int nValue；    //nValue是const
int const nValue；    //nValue是const

但是对于指针类型的TYPE，不同的写法会有不同情况：
1. 指针本身是常量不可变

(char*) const pContent;

2. 指针所指向的内容是常量不可变

const (char) *pContent;
(char) const *pContent;

3. 两者都不可变

const char* const pContent;

识别const到底是修饰指针还是指针所指的对象，还有一个较为简便的方法，也就是沿着*号划一条线：
如果const位于*的左侧，则const就是用来修饰指针所指向的变量，即指针指向为常量；
如果const位于*的右侧，const就是修饰指针本身，即指针本身是常量。

const修饰函数参数

const修饰函数参数是它最广泛的一种用途，它表示在函数体中不能修改参数的值(包括参数本身的值或者参数其中包含的值)：

void function(const int Var);     //传递过来的参数在函数内不可以改变(无意义，该函数以传值的方式调用)
void function(const char* Var);   //参数指针所指内容为常量不可变
void function(char* const Var);   //参数指针本身为常量不可变(也无意义，var本身也是通过传值的形式赋值的)
void function(const Class& Var); //引用参数在函数内不可以改变

参数const通常用于参数为指针或引用的情况，若输入参数采用“值传递”方式，由于函数将自动产生临时变量用于复制该参数，该参数本就不需要保护，所以不用const修饰。

const修饰类对象/对象指针/对象引用

const修饰类对象表示该对象为常量对象，其中的任何成员都不能被修改。对于对象指针和对象引用也是一样。
const修饰的对象，该对象的任何非const成员函数都不能被调用，因为任何非const成员函数会有修改成员变量的企图。
例如：

class AAA
{
    void func1();
    void func2() const;
};
const AAA aObj;
aObj.func1(); //错误
aObj.func2(); //正确

const AAA* aObj = new AAA();
aObj->func1(); //错误
aObj->func2(); //正确

const修饰数据成员

const数据成员只在某个对象生存期内是常量，而对于整个类而言却是可变的。因为类可以创建多个对象，不同的对象其const数据成员的值可以不同。所以不能在类声明中初始化const数据成员，因为类的对象未被创建时，编译器不知道const 数据成员的值是什么，例如：

class A
{
    const int size = 100; //错误
    int array[size];       //错误，未知的size
}

const数据成员的初始化只能在类的构造函数的初始化列表中进行。要想建立在整个类中都恒定的常量，可以用类中的枚举常量来实现，例如：

class A
{
…
　　enum {size1=100, size2 = 200 };
　　int array1[size1];
　　int array2[size2];
…
}

枚举常量不会占用对象的存储空间，他们在编译时被全部求值。但是枚举常量的隐含数据类型是整数，其最大值有限，且不能表示浮点数。

const修饰成员函数

const修饰类的成员函数，用const修饰的成员函数不能改变对象的成员变量。一般把const写在成员函数的最后：

class A
{
   …
void function()const; //常成员函数, 它不改变对象的成员变量. 也不能调用类中任何非const成员函数。
}

对于const类对象/指针/引用，只能调用类的const成员函数。

const修饰成员函数的返回值

一般情况下，函数的返回值为某个对象时，如果将其声明为const时，多用于操作符的重载。通常，不建议用const修饰函数的返回值类型为某个对象或对某个对象引用的情况。原因如下：如果返回const对象，或返回const对象的引用，则返回值具有const属性，返回实例只能访问类A中的公有（保护）数据成员和const成员函数，并且不允许对其进行赋值操作，这在一般情况下很少用到。
如果给采用“指针传递”方式的函数返回值加const修饰，那么函数返回值（即指针所指的内容）不能被修改，该返回值只能被赋给加const 修饰的同类型指针：

const char * GetString(void);
如下语句将出现编译错误：

char *str=GetString();
正确的用法是：

const char *str=GetString();
函数返回值采用“引用传递”的场合不多，这种方式一般只出现在类的赙值函数中，目的是为了实现链式表达。如：

class A
{
…
    A &operate= (const A &other); //赋值函数
}
A a,b,c; //a,b,c为A的对象
…
a=b=c;   //正常
(a=B)=c; //不正常，但是合法

若赋值函数的返回值加const修饰，那么该返回值的内容不允许修改，上例中a=b=c依然正确。(a=b)=c就不正确了。

const常量与define宏定义的区别

编译器处理方式不同
define宏是在预处理阶段展开。
const常量是编译运行阶段使用。
类型和安全检查不同
define宏没有类型，不做任何类型检查，仅仅是展开。
const常量有具体的类型，在编译阶段会执行类型检查。
存储方式不同
define宏仅仅是展开，有多少地方使用，就展开多少次，不会分配内存。
const常量会在内存中分配(可以是堆中也可以是栈中)。

volatile关键字

volatile的本意是“易变的”,volatile关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

当要求使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是重新从它所在的内存读取数据，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被寄存。例如：

volatile int i=10;
int a = i;
。。。//其他代码，并未明确告诉编译器，对i进行过操作
int b = i;

volatile 指出 i是随时可能发生变化的，每次使用它的时候必须从i的地址中读取，因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在b中。而优化做法是，由于编译器发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操作，它会自动把上次读的数据放在b中。而不是重新从i里面读。这样以来，如果i是一个寄存器变量或者表示一个端口数据就容易出错，所以说volatile可以保证对特殊地址的稳定访问。

注意，在vc6中，一般调试模式没有进行代码优化，所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码，测试有无volatile关键字，对程序最终代码的影响。首先用classwizard建一个win32 console工程，插入一个voltest.cpp文件，输入下面的代码：

#include <stdio.h>
void main()
{
int i=10;
int a = i;

printf("i= %d/n",a);
//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值，但是又不让编译器知道
__asm {
  mov dword ptr [ebp-4], 20h
}

int b = i;
printf("i= %d/n",b);
}

然后，在调试版本模式运行程序，输出结果如下：

i = 10
i = 32

然后，在release版本模式运行程序，输出结果如下：

i = 10
i = 10

输出的结果明显表明，release模式下，编译器对代码进行了优化，第二次没有输出正确的i值。下面，我们把 i的声明加上volatile关键字，看看有什么变化：

#include <stdio.h>
void main()
{
volatile int i=10;
int a = i;

printf("i= %d/n",a);
__asm {
  mov dword ptr [ebp-4], 20h
}

int b = i;
printf("i= %d/n",b);
}

分别在调试版本和release版本运行程序，输出都是：

i = 10
i = 32

这说明这个关键字发挥了它的作用！

关于volatile的补充信息：
一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是volatile变量的几个例子：
1. 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）
2. 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables)
3. 多线程应用中被几个任务共享的变量
我认为这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用这些都要求volatile变量。不懂得volatile内容将会带来灾难。假设被面试者正确地回答了这是问题（嗯，怀疑这否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是不是直正懂得volatile的重要性：
1. 一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。
2. 一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。
3. 下面的函数有什么错误：

int square(volatile int *ptr)
{
    return *ptr * *ptr;
}

下面是答案：
1. 是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。
2. 是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。
3. 这段代码有个恶作剧。这段代码的目的是用来返指针*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一个volatile型参数，编译器将产生类似下面的代码:

int square(volatile int *ptr)
{
    int a,b;
    a = *ptr;
    b = *ptr;
    return a * b;
}

由于*ptr的值可能被意想不到地该变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返不是你所期望的平方值！正确的代码如下：

long square(volatile int *ptr)
{
    int a;
    a = *ptr;
    return a * a;
}

mutable关键字

mutable的中文意思是“可变的，易变的”，跟constant（即C++中的const）是反义词。在C++中，mutable也是为了突破const的限制而设置的。被mutable修饰的变量(mutable只能由于修饰类的非静态数据成员)，将永远处于可变的状态，即使在一个const函数中。
我们知道，假如类的成员函数不会改变对象的状态，那么这个成员函数一般会声明为const。但是，有些时候，我们需要在const的函数里面修改一些跟类状态无关的数据成员，那么这个数据成员就应该被mutalbe来修饰。下面是一个小例子：

class ClxTest
{
　public:
　　void Output() const;
};

void ClxTest::Output() const
{
　cout << "Output for test!" << endl;
}

void OutputTest(const ClxTest& lx)
{
　lx.Output();
}

类ClxTest的成员函数Output是用来输出的，不会修改类的状态，所以被声明为const。
函数OutputTest也是用来输出的，里面调用了对象lx的Output输出方法，为了防止在函数中调用成员函数修改任何成员变量，所以参数也被const修饰。
假如现在，我们要增添一个功能：计算每个对象的输出次数。假如用来计数的变量是普通的变量的话，那么在const成员函数Output里面是不能修改该变量的值的；而该变量跟对象的状态无关，所以应该为了修改该变量而去掉Output的const属性。这个时候，就该我们的mutable出场了，只要用mutalbe来修饰这个变量，所有问题就迎刃而解了。下面是修改过的代码：

class ClxTest
{
　public:
　　ClxTest();
　　~ClxTest();

　　void Output() const;
　　int GetOutputTimes() const;

　private:
　　mutable int m_iTimes;
};

ClxTest::ClxTest()
{
　m_iTimes = 0;
}

ClxTest::~ClxTest()
{}

void ClxTest::Output() const
{
　cout << "Output for test!" << endl;
　m_iTimes++;
}

int ClxTest::GetOutputTimes() const
{
　return m_iTimes;
}

void OutputTest(const ClxTest& lx)
{
　cout << lx.GetOutputTimes() << endl;
　lx.Output();
　cout << lx.GetOutputTimes() << endl;
}

计数器m_iTimes被mutable修饰，那么它就可以突破const的限制，在被const修饰的函数里面也能被修改。

explicit构造函数

按照默认规定，只有一个参数的构造函数也定义了一个隐式转换，将该构造函数对应数据类型的数据转换为该类对象，如下面所示：

class String {
String ( const char* p ); // 用C风格的字符串p作为初始化值
//…
}
String s1 = “hello”; //OK 隐式转换，等价于String s1 = String（“hello”）;

但是有的时候可能会不需要这种隐式转换，如下：

class String {
       String ( int n ); //本意是预先分配n个字节给字符串
String ( const char* p ); // 用C风格的字符串p作为初始化值
//…
}

下面两种写法比较正常：

String s2 ( 10 );   //OK 分配10个字节的空字符串
String s3 = String ( 10 ); //OK 分配10个字节的空字符串

下面两种写法就比较疑惑了：

String s4 = 10; //编译通过，也是分配10个字节的空字符串
String s5 = ‘a’; //编译通过，分配int（‘a’）个字节的空字符串

s4 和s5 分别把一个int型和char型，隐式转换成了分配若干字节的空字符串，容易令人误解。
为了避免这种错误的发生，我们可以声明显示的转换，使用explicit 关键字：

class String {
    explicit String ( int n ); //本意是预先分配n个字节给字符串
    String ( const char* p ); // 用C风格的字符串p作为初始化值
    //…
}

加上explicit，就抑制了String ( int n )的隐式转换。

下面两种写法仍然正确：

String s2 ( 10 );   //OK 分配10个字节的空字符串
String s3 = String ( 10 ); //OK 分配10个字节的空字符串

下面两种写法就不允许了：

String s4 = 10; //编译不通过，不允许隐式的转换
String s5 = ‘a’; //编译不通过，不允许隐式的转换

因此，某些时候，explicit 可以有效得防止构造函数的隐式转换带来的错误或者误解

explicit 只对构造函数起作用，用来抑制隐式转换。如：

class A {  
    A(int a);   
};
int Function(A a);

当调用Function(2)的时候，2会隐式转换为A类型。这种情况常常不是程序员想要的结果，所以，要避免之，就可以这样写：

class A {   
    explicit A(int a);
};
int Function(A a);

这样，当调用 Function(2) 的时候，编译器会给出错误信息（除非 Function 有个以 int 为参数的重载形式），这就避免了在程序员毫不知情的情况下出现错误。

转载自：
1. C++中const、volatile、mutable的用法
2. C++笔记（1）explicit构造函数