Const、volatile、mutable的用法

 

看到const 关键字，C++程序员首先想到的可能是const 常量。这可不是良好的条件反射。如果只知道用const 定义常量，那么相当于把火药仅用于制作鞭炮。const 更大的魅力是它可以修饰函数的参数、返回值，甚至函数的定义体。

const 是constant 的缩写，“恒定不变”的意思。被const 修饰的东西都受到强制保护，可以预防意外的变动，能提高程序的健壮性。所以很多C++程序设计书籍建议：“Use const whenever you need”。

1.用const 修饰函数的参数

如果参数作输出用，不论它是什么数据类型，也不论它采用“指针传递”还是“引用传递”，都不能加const 修饰，否则该参数将失去输出功能。const 只能修饰输入参数：

如果输入参数采用“指针传递”，那么加const 修饰可以防止意外地改动该指针，起到保护作用。

例如StringCopy 函数：

void StringCopy(char *strDestination, const char *strSource);

其中strSource 是输入参数，strDestination 是输出参数。给strSource 加上const修饰后，如果函数体内的语句试图改动strSource 的内容，编译器将指出错误。

如果输入参数采用“值传递”，由于函数将自动产生临时变量用于复制该参数，该输入参数本来就无需保护，所以不要加const 修饰。

例如不要将函数void Func1(int x) 写成void Func1(const int x)。同理不要将函数void Func2(A a) 写成void Func2(const A a)。其中A 为用户自定义的数据类型。

对于非内部数据类型的参数而言，象void Func(A a) 这样声明的函数注定效率比较底。因为函数体内将产生A 类型的临时对象用于复制参数a，而临时对象的构造、复制、析构过程都将消耗时间。

为了提高效率，可以将函数声明改为void Func(A &a)，因为“引用传递”仅借用一下参数的别名而已，不需要产生临时对象。但是函数void Func(A &a) 存在一个缺点：

“引用传递”有可能改变参数a，这是我们不期望的。解决这个问题很容易，加const修饰即可，因此函数最终成为void Func(const A &a)。

以此类推，是否应将void Func(int x) 改写为void Func(const int &x)，以便提高效率？完全没有必要，因为内部数据类型的参数不存在构造、析构的过程，而复制也非常快，“值传递”和“引用传递”的效率几乎相当。

问题是如此的缠绵，我只好将“const &”修饰输入参数的用法总结一下。

 

对于非内部数据类型的输入参数，应该将“值传递”的方式改为“const 引用传递”，目的是提高效率。例如将void Func(A a) 改为void Func(const A &a)。

 

对于内部数据类型的输入参数，不要将“值传递”的方式改为“const 引用传递”。否则既达不到提高效率的目的，又降低了函数的可理解性。例如void Func(int x) 不应该改为void Func(const int &x)。

2 用const 修饰函数的返回值
如果给以“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）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。例如函数
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();
如果函数返回值采用“值传递方式”，由于函数会把返回值复制到外部临时的存储单元中，加const 修饰没有任何价值。
例如不要把函数int GetInt(void) 写成const int GetInt(void)。
同理不要把函数A GetA(void) 写成const A GetA(void)，其中A 为用户自定义的数据类型。
如果返回值不是内部数据类型，将函数A GetA(void) 改写为const A & GetA(void)的确能提高效率。但此时千万千万要小心，一定要搞清楚函数究竟是想返回一个对象的“拷贝”还是仅返回“别名”就可以了，否则程序会出错。
函数返回值采用“引用传递”的场合并不多，这种方式一般只出现在类的赋值函数中，目的是为了实现链式表达。

例如：
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; // 正常的链式赋值
(a = b) = c; // 不正常的链式赋值，但合法
如果将赋值函数的返回值加const 修饰，那么该返回值的内容不允许被改动。上例中，语句 a = b = c 仍然正确，但是语句 (a = b) = c 则是非法的。
3 const 成员函数
任何不会修改数据成员的函数都应该声明为const 类型。如果在编写const 成员函数时，不慎修改了数据成员，或者调用了其它非const 成员函数，编译器将指出错误，这无疑会提高程序的健壮性。以下程序中，类stack 的成员函数GetCount 仅用于计数，从逻辑上讲GetCount 应当为const 函数。编译器将指出GetCount 函数中的错误。
class Stack
{
public:
void Push(int elem);
int Pop(void);
int GetCount(void) const; // const 成员函数
private:
int m_num;
int m_data[100];
};
int Stack::GetCount(void) const
{
++ m_num; // 编译错误，企图修改数据成员m_num
Pop(); // 编译错误，企图调用非const 函数
return m_num;
}
const 成员函数的声明看起来怪怪的：const 关键字只能放在函数声明的尾部，大概是因为其它地方都已经被占用了。
关于Const函数的几点规则：

a. const对象只能访问const成员函数,而非const对象可以访问任意的成员函数,包括const成员函数.
b. const对象的成员是不可修改的,然而const对象通过指针维护的对象却是可以修改的.
c. const成员函数不可以修改对象的数据,不管对象是否具有const性质.它在编译时,以是否修改成员数据为依据,进行检查.
e. 然而加上mutable修饰符的数据成员,对于任何情况下通过任何手段都可修改,自然此时的const成员函数是可以修改它的

const、volatile、mutable的用法

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：

l  指针本身是常量不可变

(char*) const pContent;

l  指针所指向的内容是常量不可变

const (char) *pContent;

(char) const *pContent;

l  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

１、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。 

2、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();
3、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

l  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。

l  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。

l  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). 这段代码的有个恶作剧。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

mutalbe的中文意思是“可变的，易变的”，跟constant（既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。