面试问题系列：C/C++ const详解

一、const是什么

在 C/C++ 语言中，const关键字是一种修饰符。所谓“修饰符”，就是在编译器进行编译的过程中，给编译器一些“要求”或“提示”，但修饰符本身，并不产生任何实际代码。就 const 修饰符而言，它用来告诉编译器，被修饰的这些东西，具有“只读”的特点。在编译的过程中，一旦我们的代码试图去改变这些东西，编译器就应该给出错误提示。

所以，const修饰符的作用主要是利用编译器帮助我们检查自己代码的正确性。我们使用const在源码中标示出“不应该改变”的地方，然后利用编译器，帮助我们检查这些地方是否真的没有被改变过。如果我们不小心去修改了这些地方，编译器就会报错，从而帮助我们纠正错误。使用const和不使用const，对于最终编译产生的代码并没有影响。

虽然const对于最终代码没有影响，但是尽可能使用const，将帮助我们避免很多错误，提高程序正确率。

二、const可以修饰哪些对象

在上面已经提到过了，const是一种修饰符，那它可以作为哪些对象的修饰符呢？下面列举了一些C/C++中用到const的地方。

1，const变量

2，const指针

3，const引用

4，const类

5，类的const成员变量

6，类的const成员函数

7，const修饰函数的形参与返回值

下面我们分别讨论上面几种情况下，const的用法。

三、const与变量

当一个变量被const修饰后，具有以下几个特点：

1）该变量只能读取不能修改。（编译器进行检查）

2）定义时必须初始化。

3）C++中喜欢用const来定义常量，取代原来C风格的预编译指令define。

1 const int var; // Error:常量 变量"var"需要初始化设定项
2 const int var1 = 42;
3 var1 = 43; // Error：表达式必须是可以修改的左值

上面代码中第一行和第三行都有错误，注释便是编译器给出的错误提示。

另外注意，在使用const变量作为数组的下标时，变量的值一定要是一个常量表达式(在编译阶段就能计算得到结果)。

1 const int sz = 42;
2 int iAr[sz];
3 const int sz1 = size(); // size()必须是一个返回常量的函数
4 int iAr1[sz1];
5 
6 int var = 42;
7 const int sz2 = var;
8 int iAr2[sz2]; // error：sz2只有运行时才知道值

四、const与引用

我们知道，引用必须在定义的时候赋值，这样就会所引用的变量绑定在一起并作为它的一个别名，在程序中的其他地方，是不能让引用再与其他对象绑定。这个特性，让引用看起来就像是const对象一样，一旦定义后将不能更改。所以并不存在const的引用。

但是我们却可以引用一个const的对象(变量)，我们称之为对常量的引用，与普通的引用不同的时，对常量的引用不能被用作修改它所绑定的对象。

1 const int ci = 1024;
2 const int &r1 = ci;
3 r1 = 42; // Error：r1是对常量的引用
4 int & r2 = ci; //Error：不能将一个非常量引用指向一个常量的对象

我们知道，引用的类型必须与其所引用对象的类型一致，如下面的代码：

double dval = 3.14;
int& ri = dval; // Error：无法用double类型的值初始化int&类型的引用(非常量限定)

上述代码为何不行？

此处ri引用了一个int型的整数。对于ri的操作数应该是整数运算，但是dval却是一个双精度的浮点数而非整数。因此为了确保让ri绑定一个整数，编译器把上述代码变成了如下形式：

double dval = 3.14;
int temp = dval;
int& ri = temp;

其中temp是一个临时变量，而ri绑定了一个临时量，所以当ri改变时，并没有改变davl的值，所以这种引用是无效的。

也许你注意到了，当我们把double变量绑定在一个int&类型上时，编译器提示后有个括号：非常量限定。这说明如果是一个常量的引用，则有可能是通过的，显然下面的代码就没有任何问题：

double dval = 3.14;
const int& ri = dval;

因为在这里，ri是一个常量引用，我们并不想通过ri改变dval的值，只要能读到dval对应的int型的值就行。

五、const与指针

 我们知道，指针与引用不同，指针本身是一个对象，所以存在常量指针，这种指针在定义并初始化后，便不能再指向其他变量。用来修饰这种常量指针的const，我们称之为"顶层const"。

与顶层指针对应的是底层指针，这种指针指向一个const修改的对象，这一点上就有点像是常量的引用。

对于指向常量的指针或引用，都有以下规则：

1）可以将一个非const对象的地址赋给一个指向const对象的指针

2）可以将一个非const对象的地址赋给一个指向非const对象的指针

3）可以将一个const对象的地址赋给一个指向const对象的指针

1 int var;
2 const int ci = 42;
3 
4 int *p1 =& var;
5 int *p2 = &ci; // Error,const int* 不能用于初始化int*
6 const int *p3 = &var; //ok
7 const int *p4 = &ci; // ok

 还有一种指向const对象的const指针，这种指针首先表明，本身是一个const指针，一旦初始化后不能指向其他对象；其次，它本身所指向的对象也是一个常量，即不能通过指针修改对象的值。

const int var = 42;
const int* const p = &var;

这里再强调一点，const只是给编译器看的，我们可以很轻松的骗过编译器，并看看编译器都做了什么：

1 const int var = 42;
2 int* p = (int*)&var;
3 *p = 20;
4 cout << var << endl;     //42
5 cout << *p << endl;     //20

我们在代码的第2行，用一个类型转换强制的，把一个非const指针指向了一个const对象。

但是后面我们通过这个指针来修改这个值，却没有生效，原因呢？

那是因为编译器在编译阶段发现var是一个常量，所以在编译目标代码时已经将var的地方都用42进行了替换。

六、const与类

其实类定义的对象，与普通的变量是一样的，用const修饰时，说明这个类是一个常量类对象，这个对象有下面2个特点：

1）不能改变其成员变量(非mutalbe成员)

2）不能调用其非const成员函数

 1 class AClass{
 2     public:
 3         int m_var;
 4         mutable int m_mutable_var;
 5         void setVar(int var){ m_var = var; }
 6         void printVar(){ cout << m_var; }
 7         void printVar_const()const { cout << m_var; }
 8     };
 9 
10     const AClass ac;
11     ac.m_var = 20; // Error：ac是一个const类，不能修改成员变量
12     ac.m_mutable_var = 42; // ok 可以修改mutable修饰的变量
13     ac.setVar(20); // Error: ac不能调用非const成员函数，而且这个成员函数还修改了成员变量的值
14     ac.printVar();// Error：ac不能调用非const成员函数
15     ac.printVar_const(); // ok

七、const与类的成员

1，const成员变量

const 成员变量指的是类中的成员变量为只读，不能够被修改（包括在类外部和类内部）。

1）const 成员变量必须在类的构造函数初始化表达式中被初始化，即使在构造函数体内也不可以。

2）静态 const 成员变量需要在类外部单独定义并初始化（可定义在头文件）

1 class constTestClass
2 {
3 public:
4     const int var;
5     static const int sci;
6 public:
7     constTestClass() :var(42){} // const成员变量必须在类的构造函数初始化列表中初始化
8 };
9 const int constTestClass::sci = 42; // static const成员变量需要在类外单独进行定义和初始化

类对象的实例化过程可以理解为包含以下步骤：首先，开辟整个类对象的内存空间。之后，根据类成员情况，分配各个成员变量的内存空间，并通过构造函数的初始化列表进行初始化。最后，执行构造函数中的代码。由于 const 成员变量必须在定义（分配内存空间）时，就进行初始化。所以需要在够在函数的初始化列表中初始化。const成员在初始化之后，其值就不允许改变了，即便在构造内部也是不允许的。

静态成员变量并不属于某个类对象，而是整个类共有的。静态成员变量可以不依附于某个实例化后的类对象进行访问。那么，静态成员变量的值，应该在任何实例化操作之前，就能够进行改变（否则，只有实例化至少一个对象，才能访问静态成员）。所以，静态成员变量不能够由构造函数进行内存分配，而应该在类外部单独定义，在实例化任何对象之前，就开辟好空间。又由于 const 成员变量 必须初始化，所以静态成员变量必须在定义的时候就初始化。

2，const成员函数

const成员函数指的是，此函数不应该修改任何成员变量。

1）传给const成员函数的this指针，是指向 const 对象 的 const 指针。

2）const成员函数，不能够修改任何成员变量，除非成员变量被 mutable 修饰符修饰。

 1 class constTestClass
 2 {
 3 public:
 4     int var;
 5     const int ci;
 6     mutable  int mci;
 7 public:
 8     void setVar(int i);
 9     void setMci(int i)const;
10 };
11 void constTestClass::setVar(int i)
12 {
13     var = i; // ok
14     mci = i; // ok
15     ci = i;  // Error：ci是一个const对象不能修改
16 }
17 void constTestClass::setMci(int i)const
18 {
19     var = i;    // ok
20     mci = i;    // ok  mutable成员变量可以被const成员函数修改
21     ci = i;    // Error
22 }

在成员函数调用的过程中，都有一个 this 指针被当做参数隐性地传递给成员函数（可能通过栈，也可能通过CPU寄存器）。这个this指针，指向调用这个函数的对象（这样，成员函数才能找到成员变量的地址，从而对其进行操作）。这个this指针，是个 const指针，不能修改其指向（你不希望这个对象的函数，修改了那个对象的成员变量，对吧？）。

传递给const成员函数的this指针，指向一个const对象。也就是说，在const成员函数内部，这个this指针是一个指向const对象的const指针。

mutable 修饰符使得const函数的行为有了一些灵活性。相当于提醒编译器，这个成员变量比较特殊，就不要进行任何只读检查了。

为什么 const 对象只能够调用const成员函数呢？，其实是这样的。由于对象本身通过 const 修饰，那么指向这个对象的指针也就是指向const对象的const指针了。换句话说，指向这个对象的this指针就是指向const对象的const指针。一般成员函数要求的this指针为：指向对象的const指针。所以此处发生了参数不匹配，无法进行调用。而 const 成员函数要求的this指针，恰恰是 指向const对象的const指针。所以依然能够调用。

八、const与函数

将函数的形参用const修饰是希望实参在函数内部不被修改，而一般函数接口可能会遇到以下三种情况：

1，const对象

2，指向const对象的指针

3，绑定const对象的引用

4，返回值是一个const对象

首先，我们看const对象的形参，这种接口用const修饰实际上没有任何意义，因为实参在传递给实参时是传递了一份副本，原实参是不会变化的。

 1 int main(void)
 2 {
 3     int var = 42;
 4     fun(var);
 5     cout << var << endl; // print 42
 6     return 0;
 7 }
 8 void fun( int i)
 9 {
10     i = 10;
11 }

通过上面代码可以看出，实参如果只能过值进行传递，函数接口不用const修改，也不会令实参的值改变。

而通过指针或引用传递给函数时，函数就可以通过形参来改变实参的值，这里如果需要对实参进行保护，则需要在函数接口声明形参为指向const类型的指针或引用。

 1 void fun( const int* p)
 2 {
 3     *p = 42; // error
 4     int var = 10;
 5     p = &var;  // 可以改变p本身的值
 6 }
 7 void fun(const int& p)
 8 {
 9     p = 42; // error,p是一个指向const对象的引用
10 }

有的时候，我们需要函数的返回值是一个const对象，比如我们考虑一个有理数据类，我们给类定义了一个*的重载。

1 class Rational{
2 // ....
3 };
4 const Rational operator* (const Rational& lhs, const Rational& rhs);
5 Rational a, b, c;
6 a*b = c; // Error，因为左端为一个const对象

如果上面代码中重载操作符返回对象不是const类型，则a*b=c这个式子就成立，实际上这与我们的内置类型的算术运算原则违背了，而我们希望我们设计的类的操作意义要像内置内类一样。