C++的顶层const和底层const的理解

傷城~ 2022-05-09 10:00 283阅读 0赞

按照c++ primer里面的描述习惯，认为对象为“具有某种数据类型的内存空间”。本文使用IDE为VS2017 社区版。

# const与引用：对常量的引用（reference to const） #

const int ci = 0;//常量int对象
    	int &a = ci;//报错

![在这里插入图片描述][70]  
第二个提示说得很清楚，将 “int &” 类型的引用绑定到 “const int” 类型的初始值设定项时，限定符被丢弃，这是因为引用的类型必须与其所引用对象的类型一致。  
**结论：非常量引用不能绑定到常量上**（第二个提示），**无法将“const int”类型转换为“int &”**（转换方向从右往左，即第一个提示）。

int i = 0;//非常量int对象
    	const int ci = 0;//常量int对象
    
    	const int &a = i;//指向常量的引用（一般称为常量引用），绑定到非常量
    	const int &b = ci;//指向常量的引用，绑定到常量

![在这里插入图片描述][20181006124254933]  
虽然上面提到，引用的类型必须与其所引用对象的类型一致，但也有两种例外情况（本文将讲第一种例外情况）：只要等号右边的表达式的结果，能转换为引用的类型。尤其，允许为一个常量引用绑定非常量的对象、字面值，甚至一般表达式。  
**结论：  
1）如上两个引用都是常量引用（reference to const，对常量的引用）。  
2）如上代码`const int &a = i`，可以把int类型转换为const int &类型，即可以把常量引用绑定到非常量对象上，但基本类型得一样。  
3）如上代码`const int &b = ci`，把常量引用绑定到常量对象，这是正常操作，类型一样其中没有转换过程。  
4）如上四个量，只有`i`可以进行赋值操作，因为只有它是非常量，赋值后，它的引用`a`的值也随着改变。换句话说，不能通过常量引用`a`来赋值，但由于`a`绑定的是非常量`i`，所以`i`可以进行赋值操作。**

double dval = 3.14;
    	int $vi = dval;
    	const int $vii = dval;
    	std::cout << vi << std::endl;
    	std::cout << vii << std::endl;

![在这里插入图片描述][70 1]  
初始化引用时，如果等号两边基本类型不一样，就可能会丢失数据。  
`int $vi = dval`，如提示信息所示，会创建一个临时量，从“double”转换到“int”。  
`const int $vii = dval`，如提示信息所示，会创建一个临时量，从“double”转换到“int”，再转换到“const int”。  
所以判定这两个标识符都是未声明的。

int a = 1;
    	double &b = a;//报错
    	const double &c = a;//不报错

![在这里插入图片描述][70 2]  
从int转double不会丢失数据，但一样这里会产生临时量，临时量是一个prvalue右值，不能绑定给non-const reference，但可以绑定给const reference，同时其生命周期延长至这个const reference的生命周期。

# const与指针：指向常量的指针（pointer to const） #

const int ci = 0;//常量int对象
    	int *a = &ci;//报错

![在这里插入图片描述][20181006141339411]  
**结论：与引用一样，非常量指针不能指向常量对象。**

int i = 1;//非常量int对象
    	const int ci = 5;//常量int对象
    
    	const int *a = &i;//指向常量的指针，指向了非常量
    	const int *b = &ci;//指向常量的指针，指向了常量
    	i = 10;

![在这里插入图片描述][20181006142008447]  
指针的类别必须与其所指对象的类型一致，但有两种例外情况（本文将讲第一种）：指向常量的指针，指向了非常量对象。  
**结论：  
1）如上两个指针都是指向常量的指针（pointer to const）。  
2）如上代码`const int *a = &i`，可以把指向常量的指针，指向非常量对象。  
3）如上代码`const int *b = &ci`，可以把指向常量的指针，指向常量对象，这是正常操作。  
4）如上四个量，只有`i`可以进行赋值操作，因为只有它是非常量。换句话说，不能通过指向常量的指针`a`来赋值，但由于`a`指向的是非常量`i`，所以`i`可以进行赋值操作。**

**常量引用，和指向常量的指针一样，虽然字面上都是说的指向常量，但没有规定其所指对象必须是一个常量。只是因为它们认为自己指向的是常量，所以不能通过常量引用或指向常量的指针，来改变指向的对象的值。但如果指向的对象是非常量，那么这个非常量本身进行赋值操作就是正常操作。**

# const与指针：常量指针（const pointer） #

指针是对象，因此可以把指针本身定为常量。常量指针必须初始化，初始化完成后，它的值（指针存的地址）就不能改变了。

int a = 0;//非常量
    	int *const ai = &a;//常量指针，指向了非常量
    
    	const double pi = 3.14;//常量
    	const double *const api = π//常量指针，指向了常量
    
    	int * const * aii = &ai;//常量指针的二级指针
    	const double * const * aapi = &api;//常量指针的二级指针

如果只是对常量指针**解引用**，那么解引用后得到**指针指向的对象**，根据指向对象为**常量或者非常量**，来决定常量指针解引用后可不可以赋值操作：

*ai = 1;//可运行
    	*api = 3.0;//报错，表达式必须是可修改的左值

对常量指针赋值，直接报错：

ai = 0;//报错
    	api = 0;//报错

![在这里插入图片描述][20181006155052876]  
最后两句，对两个常量指针取二级指针，二级指针的类型就是在一级指针的类型后面加个\*。  
对aii或者aapi解引用，其实就相当与去掉最后一个\*号。  
**读法是从右往走读，const修饰const左边那个星号，若const左边没有星号，那么就是指的最底层的对象。**  
![在这里插入图片描述][70 3]  
![在这里插入图片描述][20181006190742449]  
对aii解引用的过程如上。

![在这里插入图片描述][70 4]  
![在这里插入图片描述][20181006190837469]  
对aapi解引用的过程如上。

# 顶层const和底层const（top-level const and low-level const） #

对于一般对象来说，其实只有顶层const。而对于指针这种，本身是一个对象，又指向一个对象。所以，指针本身是不是常量，和指针指向对象是不是常量，是两个独立的问题。  
用顶层top-level const表示指针本身是一个常量，用底层low-level const表示指针指向对象是一个常量。

## 引用 ##

用于声明引用的const都是底层const。因为引用本身不是对象，所以不可能有顶层const。

![在这里插入图片描述][20181006124254933]

## 指针 ##

`*const`代表的是顶层const，指针存的地址不能改变。  
`const int`代表的是底层const，指针指向一个常量，常量自然不能改变。

int i = 0;
    	int *const p1 = &i;
    	//不能改变p1指针存的地址，顶层const
    	const int ci = 42;
    	//常量不能改变，也算是顶层const
    	const int *p2 = &ci;
    	//p2存的地址可以改变，但p2解引用后得到const int，不能改变，底层const
    	const int *const p3 = p2;
    	//分析p3类型，*const说明是顶层const，const int说明是底层const
    	p2 = p3;

**在执行对象的拷贝操作时，顶层const不会受影响：**  
1）`const int *const p3 = p2`中，p2没有顶层const，p3有顶层const。  
2）`p2 = p3`中，执行前，p2没有顶层const，p3有顶层const，执行后，也是一样。  
![在这里插入图片描述][20181006204738204]  
不管有么有执行`p2 = p3`，各个对象的类型一直都如上图所示，没有变过。

**在执行对象的拷贝操作时，两个对象必须具有相同的底层const资格，或者能够转换（一般来说，非常量可以转换成常量，反之不行）：**  
1）`int *p = p2; int *p = p3;`这两句都会报错，不管p2 p3是不是有顶层const，在拷贝时，都会只看成const int \*，但是由于从“const int \*”转换到“int \*”是不可以的（常量不可以转换为非常量），所以报错。  
![在这里插入图片描述][20181006210210979]  
2）`p2 = p3`可运行，p2 p3都是底层const，所以符合“两个对象必须具有相同的底层const资格”。虽然p3还是个常量指针。  
3）`p2 = &i`可运行，&i后得到一个普通指针int \*，可以从“int \*”转换到“const int \*”，符合“非常量可以转换成常量”。

# 小练习 #

来自C++ primer的2.4.3节练习。

int i = 0;
    	const int v2 = 0; int v1 = v2;
    	int *p1 = &v1, &r1 = v1;
    	const int *p2 = &v2, *const p3 = &i, &r2 = v2;

它们的类型如下，请先自行判断类型再与下表对照。  
![在这里插入图片描述][2018100621220571]

# constexpr #

constexpr即为const expression常量表达式。用于声明constexpr的类型一般为字面值类型literal type。指针、引用也属于字面值类型，但指针和引用定义成constexpr时，它们的初始值必须受到限制。  
一个constexpr指针的初始值必须是一个存储在固定地址的对象，或者是nullptr或0。  
一般来说，函数体内定义的变量不是存放在固定地址中的。但函数也允许定义一类有效范围超过函数自身的变量，这类变量也有固定地址。一个constexpr指针只能指向这些变量。

**constexpr设置变量本身为顶层const：相当于在星号后面加个const。**

const int *p = nullptr;
    	constexpr int *q = nullptr;
    	constexpr const int *k = nullptr;

![在这里插入图片描述][20181007085244576]

# auto #

auto自行推断类型，忽略顶层const，保留底层const。如果想用auto还保留顶层const，在auto前面加const即可，但只对非复合类型起作用。

const int i = 42;
    
    	auto j = i;
    	const auto j2 = i;
    
    	const auto &k = i;
    	auto &k2 = i;
    
    	auto *p = &i;
    	const auto *p2 = &i;
    	return 0;

![在这里插入图片描述][2018100709370192]  
`const auto &k = i`，使得i成为常量。  
k2已经能推断出const int &，所以`const auto &k = i`前面的const没有起作用。  
p已经能推断出const int \*，`const auto *p2 = &i`前面的const看似应该使得指针成为一个常量指针，但并没有起到作用。

[70]: /images/20220509/ddfcaf820dd34bf187b4bf3e4cf500c7.png
[20181006124254933]: /images/20220509/27835a0d291841deb0a2dc7314bdf907.png
[70 1]: /images/20220509/2f5242776268488e846d81d2b867abf9.png
[70 2]: /images/20220509/d431842110a7473d8293c6f39fadac0a.png
[20181006141339411]: /images/20220509/79d5bd30f74f4acf89070dabddf3a4c1.png
[20181006142008447]: /images/20220509/f43129f631984feb9b51e985177d0b9d.png
[20181006155052876]: /images/20220509/452a812a31f64250bd8e18fbefd5882f.png
[70 3]: /images/20220509/48f88b75b5e04ad2b331b5c61ae9403a.png
[20181006190742449]: /images/20220509/64a731586b85411499dc9088418713d2.png
[70 4]: /images/20220509/fef8fa4927c341e2aca7aa2e835a0636.png
[20181006190837469]: /images/20220509/7581ec177afc40cbbf0c10bb808a8b66.png
[20181006204738204]: /images/20220509/b63b083faa6f482c8e97c80f86ec448b.png
[20181006210210979]: /images/20220509/db6b5312aab24368a726d553c65566bb.png
[2018100621220571]: /images/20220509/f16ae2dc336548009553d951140afd18.png
[20181007085244576]: /images/20220509/1b962ae863024e68bf2a9f7d6174e9fe.png
[2018100709370192]: /images/20220509/799c5c463f2a4eb7a02dcd49e2156e37.png