使用常对象——为共用数据加装一个名为const的玻璃罩

原创案例讲解——”玻璃罩const”系列的三篇文章：

1. 使用常对象——为共用数据加装一个名为const的玻璃罩

2. 常（const）+ 对象 + 指针：玻璃罩到底保护哪一个

3. 对象更有用的玻璃罩——常引用

　　话题的引入：C++采取了不少有效的措施(如设private保护)以增加数据的安全性，但也可以在不同的场合通过不同的途径访问同一个数据对象。有时在无意之中的误操作会改变有关数据的状况，而这是人们不希望出现的。

　　例如：

//程序1#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: int x, y;public:Test(int a, int b){x=a;y=b;}void printxy();} ;void Test::printxy()  //用于显示x*y的值{x=2;  //这是一个bugcout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    Test t(3,5);t.printxy( );system("pause");}

　　这段程序的运行结果为x*y=10。显然不是我们期望的。原因在于，本来printxy()只是用来输出结果，需求当中只是“读取”类中数据成员即可；而现在，其中包含改变数据成员值的语句x=2，现有的程序没有表达出printxy()不能修改x值这一约事，从而程序失去了一种“免疫力”——自动拒绝不应该有的对类中数据成员值的修改。按照相关的机制，尽管x是私有的，但在整个类的内部，默认是任何成员函数都可以访问的。

　　在这一段短程序中，可能此事一眼可以看出。但需要考虑在一个大工程中，涉及上百个类，几万甚至更多行的代码，由数（十）名程序员合作完成的一个工程中，这个小小的x=2;是会犯下滔天罪行的。强调程序员要仔细、认真是必要的，但质量的保证不应该仅凭程序员在体力、脑力上的投入，应该有种机制预以保证，或者有一定的防范措施，才是最根本的。这同时也可以降低处理这类事情的成本。好比在社会领域，强调人人做个好人是必要的，但铲除各种丑恶现象，制度建设和执行更重要。

　　C++中给出应对的办法就是，使用const修饰符，声明程序中的某些部件具有“常”的性质：即不允许改变、不可改变、不应该改变等。我愿将之形象地比喻为一个玻璃罩——其中的成员只可读取，不可修改（只可以看，但不能摸，不能动）。

　　本文从常对象、常数据成员、常成员函数三个角度给出这个问题的解答。系列文章中的其他两篇涉及常指针和常引用。

　　一、常对象——const对象

　　凡希望保证数据成员不被改变的对象，可以声明为常对象，常对象中的所有成员的值都不能被修改。

　　常对象两种等价的定义形式：

　　　　　类名 const 对象名[(实参表列)];

　　　　　const 类名 对象名[(实参表列)];

　　在定义常对象时，必须要在初始化时给出初值。此外，对于常对象中数据成员的任何修改都是非法的，编译器将给出编译错误提示。例如：

//程序2#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: int x, y;public:Test(int a, int b){x=a;y=b;}void printxy();} ;void Test::printxy()  //用于显示x*y的值{x=2;  //这是一个bugcout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    const Test t(3,5);//将对象t定义为常对象t.printxy( );system("pause");}

　　在编译时，第20行会提示错误：error C2662: “Test::printxy”: 不能将“this”指针从“const Test”转换为“Test &”。原因在于printxy()成员函数中要对数据成员进行修改，而当前对象却是一个常对象。

　　在实际应用中，其值只能在初始化时置，且不能再修改的情况很多。比如有表示时间的类Date，定义一个日期：Date myBirthday(yyyy,mm,dd)表示生日，这个值是在程序中要保证不被修改的。回顾更简单的情况，变量前加const修饰符定义的是常变量，如const double pi=3.14;，一样的道理。

　　关于这个错误提示作些解释（看这些解释头疼的读者暂时可以略过下一段，但过后要看。目前不能理解的，需要在this指针和const的其他用法上有所积累。另外，下一段也可以作为this指针和const其他用法的案例使用。）

　　我们知道，每一个成员函数都包含一个特殊的指针——this，其值为当前正在调用成员函数的对象的起始地址，即指向当前对象。printxy()被声明为无参函数，而实际是隐含一个this指针参数的，即

void Test::printxy(Test *this){this->x = 2;  cout<<"x*y="<<(this->x)*(this->y)<<endl;}

　　这样，在第20行调用t.printxy();时，相当于t.printxy(&t);，即将对象 t 的地址传递给形参this。从实参 &t 应当和形参对应的角度，t 是常对象，printxy()函数的原型应该是：void printxy(const Test *this)，而非void printxy(Test *this)。至于提示中“const Test”转换为“Test &”中的&，等理解了常引用后再作讨论。

　　面对这个错误提示，我们排除bug，将原程序第14行x=2;删除，这是符合需求的。但是，问题并没有得到解决。编译仍然出错，需要考虑常成员函数了。

　　二、常成员函数——const成员函数

　　要引用常对象中的数据成员，需将该成员函数声明为const型函数，即常成员函数。常成员函数的原型为：

　　　　　返回值类型 成员函数名[(形参表列)] const;

　　对于去除了上面bug的程序：

//程序3#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: int x, y;public:Test(int a, int b){x=a;y=b;}void printxy();} ;void Test::printxy() //功能：输出x*y的值{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    const Test t(3,5);//将对象t定义为常对象t.printxy( );system("pause");}

　　其中存在的问题就是，printxy()是“非const成员函数”，而被const对象调用，违反了“常对象只能调用常成员函数”的规则。

　　程序应该改为：

//程序4#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: int x, y;public:Test(int a, int b){x=a;y=b;}void printxy() const;} ;void Test::printxy() const //用于显示x*y的值{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    const Test t(3,5);//将对象t定义为常对象t.printxy( );system("pause");}

　　注意，const是函数类型的一部分，在声明函数和定义函数时都要有const关键字，在调用时不必加const。常对象中的成员函数未加const，编译系统认为其是非const成员函数。常成员函数可以访问常对象中的数据成员，但不允许修改常对象中数据成员的值。

　　那么，在将一个对象定义为常对象时，是否意味着其所属类中的所有成员函数都应该为const成员函数呢？不是这样的。例如下面的程序，常对象t1只能调用常成员函数；对象t2不是常对象，则可以调用非const函数setX();在其中还可以修改数据成员 x 的值。

//程序5#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: int x; int y;public:Test(int a, int b){x=a;y=b;}void printxy() const;void setX(int n) {x=n;}void setY(int n) {y=n;}} ;void Test::printxy() const //用于显示x*y的值{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    const Test t1(3,5);//将对象t1定义为常对象t1.printxy( ); //t1.setX(2);将招致错误Test t2(4,7);//将对象t定义为非const对象t2.setX(2);//合法的调用t2.printxy();system("pause");}

　　这个程序给我们留下的最实用的启示是，如果一个函数，如printxy()，无论何时都不会改变数据成员的值，不管将来是用于const对象，还是非const对象，都将其定义为const成员函数。

　　三、常数据成员——const数据成员

　　使用常对象是一个非常强的要求，其中的所有数据成员将不能改变。而实际中的需求是这样的：一个对象中，个别数据成员的值经初始化后不允许改变，其他的可以改变。这时，不要将对象设为常对象，而是使用常数据成员——const数据成员。

　　声明常数据成员也用关键字const，其形式为：

　　　　const 数据类型 数据成员名;

　　看下面的例子：

//程序6#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: const int x; //const数据成员int y;       //非const数据成员public:Test(int a, int b){x=a;y=b;}void printxy() const;void setX(int n) {x=n;}void setY(int n) {y=n;}} ;void Test::printxy() const //函数中一定不修改数据成员值，定义为const成员函数{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    Test t(3,5);t.setX(2);t.setY(4);t.printxy( ); system("pause");}

　　程序编译时，出现3个错误。

　　先说第12行 void setX(int n) {x=n;} 的错误：error C2166: 左值指定 const 对象。显然，赋值表达式 x=n 中的左值 x 已经被声明为const数据成员了，只允许初始化，不允许赋值。这个函数是不允许存在在。

　　第10行是构造函数Test(int a, int b){x=a;y=b;}，按道理const数据成员可以被初始化，但现在的问题是对const数据成员 x 的初始化的方式不对，与前同样的理由不能用赋值表达式完成（C++中初始化和赋值是有区别的，请自行搜索，这方面的资料很多。）。另外的一个错误提示“error C2758: “Test::x”: 必须在构造函数基/成员初始值设定项列表中初始化”告诉我们如何解决这个问题。构造函数的写法上存在问题。Test(int a, int b):x(a){y=b;}能够保证没有编译错误，而Test(int a, int b):x(a),y(b){}是最佳写法。《Effective C++》书中告诫我们： 尽量使用初始化而不要在构造函数里赋值（条款12）。

　　所以，程序改为：

//程序7#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: const int x; //const数据成员int y;       //非const数据成员public:Test(int a, int b):x(a),y(b){}//Test(int a, int b):x(a){y=b;}也是一个不会发生错误的写法void printxy() const;//void setX(int n) {x=n;}  //修改const数据成员是不允许的void setY(int n) {y=n;}} ;void Test::printxy() const //函数中一定不修改数据成员值，定义为const成员函数{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    Test t(3,5);//t.setX(2);t.setY(4);t.printxy( ); system("pause");}

　　上面的程序中还有一个有趣的话题，printxy()是个const成员函数，它能够访问const数据成员，也能访问非const数据成员。将printxy()声明为非const成员函数，取消了不得修改数据成员的限制，是个更宽松的要求，同样对const数据成员和非const数据成员都能访问，不过若要修改，只能修改y，而不能修改x。

//程序8#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: const int x; //const数据成员int y;       //非const数据成员public:Test(int a, int b):x(a),y(b){}void printxy();void setY(int n) {y=n;}} ;void Test::printxy()  //改为非const成员函数，仅为演示语法，实际已经背离了需求{x=5; //这一句的存在引发错误：error C2166: 左值指定 const 对象y=4;cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    Test t(3,5);t.setY(4);t.printxy( ); system("pause");}

　　如果所有的数据成员都允许修改，我们将不涉及有些恼人的“常”问题。对于已经讨论的常数据成员的做法，适合于大量数据成员允许修改，而少量不允许修改，这时将少量的定义为const数据成员。

　　另一方面，如果所有的数据成员都不允许修改，我们在定义对象时将对象定义为常对象处理（本文第一部分）。那么大量数据成员不允许修改，只有少量允许修改时该怎么办呢？总不至于100个不允许修改的数据成员加const，只为满足那1个允许修改成员吧？

　　在ANSI C++给出了特例：编程时一定要修改常对象中的某个数据成员，该数据成员声明为mutable，如正面的程序： 

//程序9#include <iostream>using namespace std;class  Test{private: mutable int x; //即使在const对象中，x也是可以修改的int y;public:Test(int a, int b){x=a;y=b;}void printxy() const;} ;void Test::printxy() const //用于显示x*y的值{x=2; //此处确实可以在const成员函数中修改const对象中声明为mutable的数据成员，cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}void main(void){    const Test t(3,5);//将对象t定义为常对象t.printxy( );system("pause");}

　　四、总结

　　不加限制的对象享受着极端的自由，也为bug的滋生提供了土壤。将对象定义为常对象则走入了另一个极端，谁也不许动。于是处在这两个方案中间的做法给我们提供了便利，将不可修改的数据成员声明为const数据成员，从而保证其除了初始化不能被修改；用const成员函数限制函数中不得对数据成员进行修改。再重复一遍：将不可修改的数据成员声明为const数据成员，从而保证其除了初始化不能被修改；用const成员函数限制函数中不得对数据成员进行修改。

　　不过，这样做也带来了多种组合困扰刚入道的菜鸟，即使老鸟也不能“背会”这些规则。这些内容不是靠背书得到的，一些良好的设计原则会给出指导，彻底理解其实也不难。熟悉了，不过尔尔。

数据成员非const成员函数const成员函数非const数据成员可引用，可改变值可引用，不可改变值const数据成员可引用，不可改变值可引用，不可改变值const对象的数据成员不可引用，不可改变可引用，不可改变值

　　念熟这张表格还是很有成就感的一件事情。只不过念起来太拗口，我常把“非const”念作“可变的”，倒也减轻了大脑的负担，且不至于引起太大的歧义。另外，我还把“非const成员函数”看成肉食动物，本事大呗，不光看，还要修改；而把“const成员函数”看成食草动物，只图自保，但也要生存，温顺而没有野心。相应的，"非const数据成员”不好消化，"const数据成员"好消化。这样想想，可以增加思维的形象性。

　　下面，通过表格中给出一些代码，我将给出更直观的对这一干关系的解释，希望帮助读者更容易地掌握相关内容。

数据成员非const成员函数const成员函数class{
private: 
 int x; //非const数据成员
 int y;//非const数据成员
……}void printxy()
{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}//可引用;
void setX(int n) {x=n;}//可改变值
void setY(int n) {y=n;}//可改变值void printxy()const
 { cout<<"x*y="<<x*y<<endl;//可引用
    x=2;//出错：不可改变值
}class{
private: 
 const int x; //const数据成员
 int y;//非const数据成员
……}void printxy()
{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}//可引用;
void setX(int n) {x=n;}//错误：不可改变值x
void setY(int n) {y=n;}//可改变值yvoid printxy() const
{ cout<<"x*y="<<x*y<<endl;//可引用
  x=2;//错误：不可改变值x
  y=4;//错误：不可改变值y
}class Test{
private: 
 int x; 
 int y;
……}
const Test t(3,5);//t.x,t.y为const对象的数据成员void Test::printxy()
{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}
void Test::setX(int n) {x=n;}
……
t.printxy();//不可引用
t.setX(1);//不可改变void Test::printxy() const
{cout<<"x*y="<<x*y<<endl;}
void Test::setX(int n) const
  {x=n;} //此处的改变就不合法
……
t.printxy();//可引用
t.setX(1);//不可改变

相关阅读：C++中const用法总结

本博相关：

（全文完）