淺談C++中const與constexpr的區別

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一.const常量與#define比較

define隻是簡單的替換，沒有類型，const可以做到防竄改與類型安全。

而且#define會在內存中可能(有幾次替換就有幾次拷貝)有多份拷貝，對於字面值常量加不加const都一樣，例如：const char* arr = “123”;，儲存在常量區，隻有一份拷貝；對於局部對象，常量存放在棧區，例如：void add(){const char crr[] = “123”;},這裡“123”本應儲存在棧上，但編譯器可能會做某些優化，將其放入常量區；對於全局對象，常量存放在全局/靜態存儲區；用const會比#define使用更少的空間，效率更高。

這裡有一個小例子：char* brr = "123"; char drr[] = "123";前者字符串123存在常量區，不能通過brr去修改”123″的值；後者”123″保存在棧區，可以通過drr去修改。

現在C++除瞭一些特定用法，推薦用const,inline,enum等替換宏——來自《Effective C++》條款02

二.const修飾

1.修飾普通變量，必須初始化

const int a = 10; 表示int對象a，是一個常量，不可以改變值，從編譯器生成二進制角度看，生成的a存放在.rodata段，也就是隻讀(readonly)區域。不過並不絕對，有的時間統計優化等級開的高，也不取地址，可能會優化成立即數在.text段中。

2.修飾類變量和成員變量

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類成員m_iV是const變量，必須放到初始化列表中進行初始化，不能進行賦值。
  • 對於靜態常成員，與普通靜態成員類似，推薦放到類外.cpp中初始化。
  • aa隻能調用const函數，如aa.GetValue(),不能調用非常成員函數aa.AddValueOneTime()。
  • 對於這種const對象，又想修改成員，可以在成員聲明加上mutable，這樣const對象aa也可以修改m_iChangeV,這種用法比較少。

3.修飾成員函數

  • 表示這個函數可以被const對象調用，也可以被普通對象調用，不會改變對象的成員，也就是說更像一種隻讀不寫型的邏輯運算，所以有些人推薦類成員函數，可以都加上const。有一個小技巧，當const和non-const成員函數有著實質等價的實現時，令non-const版本調用const版本可避免代碼重復；但反過來不行，const函數內部也必須隻能調用const函數—— 《Effective C++》條款03
  • 有一點要註意，編譯器強制實施bitwase constness，但編寫程序時應該使用conceptual constness，解決編譯器的bitwase constness屬性就用到瞭上述的mutable。關於介紹bitwase constness的具體表現可以參考《Effective C++》條款03。

4.修飾指針

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

對於初學者來說這大概是很難理解的一個知識點，怎麼區分這四個呢？記住秘訣，直接從右向左讀就一招制敵瞭。

  • p1是一個指針，指向char字符常量，表示p1所指對象內容不可以改，所指地址可以改。
  • p2同p1，寫法不同，兩者等價。
  • p3是一個常量，且是個指針，指向char字符，表示p3所指對象內容可以改，所指地址不可以改。
  • p4是一個常量，且是個指針，指向char字符常量，表示p4所指對象內容不可以改，且所指地址也不可以改。
  • 相對來說p1,p2是最常用傳參或者返回值的手段。

5.修飾引用

修飾引用和對象差不多，對象內容不可以改變。作為函數參數傳參數，不存在copy開銷，這是比較推薦的寫法，例如：拷貝構造函數，賦值構造，STL裡用於比較的函數或者仿函數，詳情請參閱《Effective C++》條款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;

因為常引用不能改變，這種情況下編譯器會創建一個臨時變量來處理隱式轉換，我們實際是對臨時變量進行瞭常引用。

三.const轉換

一般來說，從T*轉換到const T*是比較簡單的，且編譯器支持的隱式轉換，也可以顯示的用模板處理，例如我們簡單寫一下RemoveConst模板，最後用using化名一下。但從const T*到T*就麻煩一些，推薦使用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.頂層const與底層const

  • 簡單來說const修飾的對象本身不能改變就是頂層const，但如果是指針或者引用的對象不能改變，則稱為底層const。
  • const int cV = 10; cV是頂層const，本身不能改變
  • char const *p2; p2是底層const，p2本身值可以改變，但所指內容不可以改變
  • char* const p3; p3是頂層const，p3的本身值不可以改變
  • const char* const p4; p4既是頂層const，又是底層const
  • 註：對於上述模板RCType是無法移除p2這種底層const，如果要移除，請用const_cast<T*>移除，但這種操作可能引起Crash或者未知風險
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

這個關鍵字表示這是一個常量表達式，是一個編譯期就可以確認的值，最常用於模板中，例如模板遞歸求值。

它可不隻是變量，例如：

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

iSize1是個常量，編譯期的，但iSize2就不一定，它雖然不能改變，但要到GetSize()執行結束，才能知道具體值，這與常量一般在編譯期就知道的思想不符，解決這個問題的方法就是改為：constexpr int iSize2 = GetSize(); 這樣要求GetSize()一定要能在編譯期就算出值，下面幾個例子中GetSizeError()就會編譯失敗。GetFibo函數，編譯期就已經遞歸計算出值。

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;

當然我們可以用模板寫GetCalc函數：

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;

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