const与constexpr

Posted 2022-12-08 zkccpro

const与constexpr

c++开发中，常量属性是避免不了要接触的。如果运用不好，函数或变量的常量属性会给你造成麻烦。其中，把const和constexpr这两个关键字弄混是一大原因。（当然还有其他原因引起困惑。。）本文我们试图解决以下2个问题：

• const与constexpr的区别？
• 常函数的使用建议？

一、const与constexpr的区别

《c++ primer》中有对这个问题的详细介绍，但我一开始没怎么注意他嘛！那么我是怎么注意到这个问题的呢？实际开发中，经常会使用stl中的array容器来代替c风格静态数组：

int size=2;
array<int,size> arr;//第一次使用array容易或许你容易“天真”地写出这样的代码

然后你就会发现编译器报出这样的错误[GNU]：

zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ g++ const_test.cc -o const_test && ./const_test
const_test.cc: In function ‘int main()’:
const_test.cc:15:15: error: the value of ‘size’ is not usable in a constant expression

如果看了上述代码你不知道咋回事，处于懵逼的状态，那么下面的代码更简单意识到问题：

int size=1;
const int c1=size;// OK
constexpr int c2=size;// the value of ‘size’ is not usable in a constant expression!

这么看是不是更容易搞明白二者的区别？

1. constexpr修饰的变量同样具有**“常量”属性**，与const一样，不可修改。
2. constexpr修饰的变量，只接受编译期就已经确定好的值或表达式，一般可以是立即数或者带有constexpr修饰的变量或函数，即，常量表达式。

//注意，constexpr是修饰返回值的，而不是修饰函数的，写后面肯定不行啊！
//C++14!!!
constexpr int constFunc()
    int a=2;
    return a;//尽管自动变量a不是立即数或常量表达式，但实际上函数的返回值还是会被认为是常量表达式

int main()
    constexpr int c3=2;
    constexpr int c4=c3;
    constexpr int c5=constFunc();

上面的代码[GUN,c++14]可以看的很清楚了，constexpr除了必须接受一个编译期确定的量之外，有一个功能就是：创造出一个“编译期确定值”的语义。用constexpr修饰的函数或者变量都将被看作其值是编译器确定的！

但这里还有一个关于语言标准的小细节需要注意：在c++11中，constexpr修饰的函数体必须只有1行；而在c++14中则取消了这个限制，可以有任意行：

//c++11
constexpr int constFunc()
    return 2;

//c++14
constexpr int constFunc()
    int a=2;
    return a;

二、常函数的使用建议

如果通读过《c++ primer》的话，会看到里面建议你：当你设计类时，应该尽可能地给一个不会修改成员变量的函数加上常函数修饰。

这个建议其实很对，但是我一开始并没有理解其中的必要性，因为我那时只考虑到常函数的性质之一：常函数里面只能调用常函数（成员函数）。所以我就觉得，即便不把它定义成常函数似乎也不会有什么影响啊，而且还对里面能调用的函数加以限制，这用起来岂不很麻烦：

class A
public:
	int data()constreturn data_;
	int getData_1()const
		handleData();//常函数中不能调用非常成员函数，编译报错！
		return data_;
	
	int getData_2()const//OK
		doWork();
		return data_;
	
	void handleData()//do something without data_...
	void doWork()const//do something without data_...
private:
	int data_;
;

const修饰的函数，编译器将替你检查你是否有可能对成员变量做出修改，哪怕没有做出修改，但”有可能“修改，那也无法通过编译！比如上面的代码中，尽管handleData()函数中实际上并没有对data_做出修改，但只是因为没有const修饰，将会被认为是可能对成员变量做出修改的，无法通过编译！

基于此，可能会有初学者不是很喜欢为成员函数加上const，因为上述原因在代码量大的时候往往无法很快发现问题。。一度我也是这么想的，直到我拜读了侯捷老师的视频！侯捷老师向我们说明了一种情况，在这种情况下，就不得不尽可能地使用const了！

class MayConstObj//可能被实例化为常量来使用的类
public:
	void handleData()//do something without data_...
	void doWork()const//do something without data_...
private:
	int data_;
;
int main()
    MayConstObj c1;
    c1.handleData();//ok
    c1.doWork();//ok
    
    const MayConstObj c2=c1;
    c2.handleData();//导致编译出错！
    c2.doWork();//ok

上述代码使用GNU，c++11测试过，报错信息为：

g++ -std=c++11 const_test.cc -o const_test && ./const_test
const_test.cc: In function ‘int main()’:
const_test.cc:21:19: error: passing ‘const MayConstObj’ as ‘this’ argument discards qualifiers [-fpermissive]

如果你对c++语言没有一个充分了解的话，相信看到这一串报错信息一定感到束手无策，然后就上网赶紧查查报错信息。。（曾经的我），但相信你用过c++一段时间后，可以轻易发现上面的语句为什么会导致这样的报错信息！

为了搞懂上面的报错信息，来举一个更直观的例子：

void func1(const int*)
void func2(int*)
int main()
    const int* a;
    func1(a);//ok
    func2(a);//导致编译出错

上述代码运行结果如下：

zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ g++ -std=c++11 const_test.cc -o const_test && ./const_test
const_test.cc: In function ‘int main()’:
const_test.cc:29:11: error: invalid conversion from ‘const int*’ to ‘int*’ [-fpermissive]

这样看，原因就很显然了：常量指针（指向常量的指针）无法隐式转换为正常指针（所以才需要const_cast嘛！但要注意的是，常量却可以隐式转换成非常量、指针常量也可以隐式转换成正常指针）。

而非静态类成员函数的第一个参数[GNU实现]是一个this指针，非静态非常量类成员函数的第一个参数是一个const T*（常量指针）！也就是说，常量对象c2的handleData()类成员函数，编译期为其生成的函数原型应该是：

MayConstObj::handleData(MayConstObj*)

而doWork()类成员函数，编译期为其生成的函数原型是：

MayConstObj::handleData(const MayConstObj*)

所以，当类的使用者以常量形式调用非常类成员函数时，常量形式对象的this指针也是一个常量指针，就意味着传入成员函数的this指针都是const T*，相当于：

const MayConstObj c2=c1;
//c2.handleData();//这1句相当于下面2句
const MayConstObj* this=&c2;
MayConstObj::handleData(this);

如此，就产生了上面的报错信息。明白了上述道理后，修改这个问题并不需要上网查查，先查看一下常量对象调用的成员函数是不是常函数就行了！

最后，总结一下常函数的作用和建议：

1. 常函数只能调用常成员函数，并且不能修改成员变量，否则将无法通过编译。
2. 常量对象只能调用常成员函数，调用非常成员函数将导致指针类型转换拒绝。
3. 基于以上两点，设计一个类时，尽量将不会改变成员变量的函数设置为常函数，除非你咬定你的类将来绝不可能以常量实例化，或者保证常量实例化绝不可能调用该成员函数。

最后，我们加点料！在c++中，我们有时需要确切的知道一个函数的原型，这个小技巧在这时会很实用，大概有2种方法，下面的命令均在GNU下测试过：

• 输出目标文件符号表+解析符号：

  比如上面的类成员函数MayConstObj::handleData()：

  zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ g++ -std=c++11 const_test.cc -o const_test
  # 目录中产生了const_test二进制目标文件
  
  # 接下来读取elf文件，筛选符号关键字：
  zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ readelf const_test -a |grep MayConstObj
      62: 0000000000001288    15 FUNC    WEAK   DEFAULT   16 _ZN11MayConstObj10handleD
      66: 0000000000001298    15 FUNC    WEAK   DEFAULT   16 _ZNK11MayConstObj6doWorkE
  # 或者可以用nm命令直接获取符号表然后筛选：
  zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ nm const_test |grep MayConstObj
  0000000000001288 W _ZN11MayConstObj10handleDataEv
  0000000000001298 W _ZNK11MayConstObj6doWorkEv
  
  # 拿到符号表种的符号后，你会发现GNU产生的符号你是看不懂的（《mordern c++》一书提到过VC的比较好看懂），需要用c++filt命令解析：
  zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ c++filt _ZN11MayConstObj10handleDataEv
  MayConstObj::handleData()
  
  

  你会发现，这个类成员函数的解析，缺少了默认的this指针参数啊（这个函数也确实不是静态啊！）。。

  确实，这就需要用到第二种方法了。

• 利用gdb的栈轨迹来帮我们查看函数原型，可以解析出类成员函数的this指针实现：

  zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ g++ -g std=c++11 const_test.cc -o const_test# 加上-g，生成调试信息
  zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ gdb const_test
  GNU gdb (Ubuntu 9.2-0ubuntu1~20.04) 9.2
  # 省略了一些gdb信息输出
  Reading symbols from const_test...
  (gdb) b const_test.cc:11 # 在你想查看原型的函数处打上断点
  Breakpoint 1 at 0x1298: file const_test.cc, line 11.
  (gdb) r # run!
  Starting program: /home/zkcc/mytest/const_test 
  
  Breakpoint 1, MayConstObj::doWork (this=0x7fffffffdd54) at const_test.cc:11
  warning: Source file is more recent than executable.
  11              int a=0;
  (gdb) bt # 输出当前栈内轨迹
  # 下面2行是当前栈里的内容，这里会显示出向dowork调用传递的所有参数，这里也可以验证GNU对类内函数this指针的传递是放在第一个参数的
  #0  MayConstObj::doWork (this=0x7fffffffdd54) at const_test.cc:11
  #1  0x00005555555551da in main () at const_test.cc:20
  (gdb)