C++ const关键字用法及拓展

const 关键字在 C++ 中有多种用法，旨在表示常量性，防止数据在程序执行期间被意外修改。下面从多个角度详细讲解 const 的用法，并提供相应的代码示例。

1. 常量变量

使用 const 定义的变量表示其值在初始化后不可修改。

const int MAX_SIZE = 100;
MAX_SIZE = 200; // 错误：无法修改 const 变量

2. 指针和 const

2.1 指向常量的指针

指针本身可以变化，但它指向的数据不能修改。

const int value = 10;
const int* ptr = &value;
*ptr = 20; // 错误：不能修改指向的常量数据
ptr = &another_value; // 合法：指针本身可以指向别的地址

2.2 常量指针

指针本身是常量，不能指向别的地址，但指向的数据可以修改。

int value = 10;
int* const ptr = &value;
*ptr = 20; // 合法：可以修改指向的数据
int another_value = 30;
ptr = &another_value; // 错误：指针本身是常量，不能修改指向

2.3 指向常量的常量指针

指针本身和它指向的数据都不能修改。

const int value = 10;
const int* const ptr = &value;
*ptr = 20; // 错误：不能修改指向的常量数据
ptr = &another_value; // 错误：指针本身也是常量

3. 常量成员函数

在类中声明的成员函数如果不修改成员变量，应将其声明为 const，这表明该函数不修改对象的状态。

class MyClass {
public:
    int getValue() const {
        return value;
    }

    void setValue(int newValue) {
        value = newValue;
    }

private:
    int value;
};

const MyClass obj;
obj.getValue(); // 合法
obj.setValue(5); // 错误：const 对象只能调用 const 成员函数

4. 常量引用

通过 const 引用传递参数可以避免不必要的拷贝，同时防止数据被修改。

void printValue(const int& value) {
    std::cout << value << std::endl;
}

int main() {
    int x = 10;
    printValue(x); // 合法，传递 const 引用
}

5. 返回常量引用

函数可以返回一个常量引用，以避免调用者修改内部数据。

class MyClass {
public:
    const int& getValue() const {
        return value;
    }

private:
    int value;
};

int main() {
    MyClass obj;
    const int& val = obj.getValue();
    val = 10; // 错误：不能修改常量引用
}

6.拓展

1. 常量表达式 constexpr（C++11 及以后）

const 和 constexpr 都用于定义常量，但它们有不同的用途和限制。以下详细介绍这两个关键字的区别和各自的特点。

const

const 关键字用于声明一个常量，表示其值在程序运行期间不会改变。const 可以用于变量、指针、引用、函数参数和成员函数等。

const int a = 5;  // a 是一个常量变量
const int* p = &a;  // p 是一个指向常量的指针

特点

1. 运行时常量：const 常量可以在运行时初始化，但初始化后不可修改。
2. 作用域限制：const 的作用域可以是局部或全局。
3. 编译时不一定知道值：const 常量不要求编译时知道具体值。

constexpr

constexpr 是在 C++11 引入的，用于声明一个常量表达式，即在编译时就可以确定其值的表达式。constexpr 可用于变量、函数和构造函数。

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

constexpr int y = square(5);  // y 是一个常量表达式，编译时计算

特点

1. 编译时常量：constexpr 保证表达式在编译时计算，这可以用于优化和提高效率。
2. 函数和变量：constexpr 可以用于函数，使得函数返回的值在编译时就能确定。
3. 强制编译时计算：如果一个 constexpr 表达式在编译时无法确定其值，编译器将报错。

区别

1. 编译时 vs 运行时：

   • const 可以在运行时初始化，而 constexpr 必须在编译时能计算出值。
   • 例如，const int x = someFunction(); 是合法的，只要 someFunction() 在运行时返回一个值。但 constexpr int y = someFunction(); 只有当 someFunction() 是一个 constexpr 函数并且可以在编译时计算时才合法。

2. 优化和使用场景：

   • constexpr 常用于需要在编译时进行计算以便于编译器优化的场景，如模板元编程。
   • const 常用于声明不可变的常量数据，但这些数据不一定要在编译时已知。

示例对比

以下是一个对比示例，展示了 const 和 constexpr 的不同用法及其限制：

#include <iostream>

// const 示例
const int runTimeValue() {
    return 42;
}

void constExample() {
    const int a = runTimeValue();  // 合法：运行时初始化
    std::cout << "const value: " << a << std::endl;
}

// constexpr 示例
constexpr int compileTimeValue(int x) {
    return x * x;
}

void constexprExample() {
    constexpr int b = compileTimeValue(5);  // 合法：编译时计算
    std::cout << "constexpr value: " << b << std::endl;
}

// 错误示例：不能在编译时计算的 constexpr
// constexpr int invalid = runTimeValue();  // 错误：runTimeValue() 不是 constexpr 函数

int main() {
    constExample();
    constexprExample();
    return 0;
}

总结

• const 用于在运行时初始化后不可变的常量。
• constexpr 用于在编译时就能确定值的常量表达式，以便编译器优化和模板元编程。

2. 常量迭代器

在使用标准模板库（STL）容器时，可以使用 const_iterator 遍历容器，以确保迭代器不修改容器内容。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (std::vector<int>::const_iterator it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
        std::cout << *it << std::endl;
        *it = 10; // 错误：不能通过 const_iterator 修改内容
    }
}

综上所述，const 是一个非常有用的关键字，可以在多种情况下使用，以增强代码的安全性和可维护性。通过上述示例，可以全面了解 const 的不同用法及其带来的好处。