• Для простых констант директиве #define следует предпочесть константные объекты и перечисления (enum).
• Вместо имитирующих функции макросов, определенных через #define, лучше применять встроенные функции.
Правило 3: Везде, где только можно используйте const
Замечательное свойство модификатора const состоит в том, что он накладывает определенное семантическое ограничение: данный объект не должен модифицироваться, – и компилятор будет проводить это ограничение в жизнь. const позволяет указать компилятору и программистам, что определенная величина должна оставаться неизменной. Во всех подобных случаях вы должны обозначить это явным образом, призывая себе на помощь компилятор и гарантируя тем самым, что ограничение не будет нарушено.
Ключевое слово const удивительно многосторонне. Вне классов вы можете использовать его для определения констант в глобальной области или в пространстве имен (см. правило 2), а также для статических объектов (внутри файла, функции или блока). Внутри классов допустимо применять его как для статических, так и для нестатических данных-членов. Для указателей можно специфицировать, должен ли быть константным сам указатель, данные, на которые он указывает, либо и то, и другое (или ни то, ни другое):
char greeting[] = “Hello”;
char *p = greeting; // неконстантный указатель,
// неконстантные данные
const char *p = greeting; // неконстантный указатель,
// константные данные
char * const p = greeting; // константный указатель,
// неконстантные данные
const char * const p = greeting; // константный указатель,
// константные данные
Этот синтаксис не так страшен, как может показаться. Если слово const появляется слева от звездочки, константным является то, на что указывает указатель; если справа, то сам указатель является константным. Наконец, если же слово const появляется с обеих сторон, то константно и то, и другое.
Когда то, на что указывается, – константа, некоторые программисты ставят const перед идентификатором типа. Другие – после идентификатора типа, но перед звездочкой. Семантической разницы здесь нет, поэтому следующие функции принимают параметр одного и того же типа:
void f1(const Widget *pw); // f1 принимает указатель на
// константный объект Widget
void f1(Widget const *pw); // то же самое делает f2
Поскольку в реальном коде встречаются обе формы, следует привыкать и к той, и к другой.
Итераторы STL смоделированы на основе указателей, поэтому iterator ведет себя почти как указатель T*. Объявление const-итератора подобно объявлению const-указателя (то есть записи T* const): итератор не может начать указывать на что-то другое, но то, на что он указывает, может быть модифицировано. Если вы хотите иметь итератор, который указывал бы на нечто, что запрещено модифицировать (то есть STL-аналог указателя const T*), то вам понадобится константный итератор:
std::vector vec;
...
const std::vector::iterator iter = // iter работает как T* const
vec.begin();
*iter = 10; // Ok, изменяется то, на что
// указывает iter
++iter; // ошибка! iter константный
std::vector::const_iterator citer = // citer работает как const T*
vec.begin();
*citer = 10; // ошибка! *citer константный
++citer; // нормально, citer изменяется
Некоторые из наиболее интересных применений const связаны с объявлениями функций. В этом случае const может относиться к возвращаемому функцией значению, к отдельным параметрам, а для функций-членов – еще и к функции в целом.
Если указать в объявлении функции, что она возвращает константное значение, то можно уменьшить количество ошибок в клиентских программах, не снижая уровня безопасности и эффективности. Например, рассмотрим объявление функции operator* для рациональных чисел, введенное в правиле 24:
class Rational {…}
const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs);
Многие программисты удивятся, впервые увидев такое объявление. Почему результат функции operator* должен быть константным объектом? Потому что в противном случае пользователь получил бы возможность делать вещи, которые иначе как надругательством над здравым смыслом не назовешь:
Rational a, b, c;
…
(a*b)=c; // присваивание произведению a*b!
Я не знаю, с какой стати программисту пришло бы в голову присваивать значение произведению двух чисел, но могу точно сказать, что иногда такое может случиться по недосмотру. Достаточно простой опечатки (при условии, что тип может быть преобразован к bool):
if (a*b = c)... // имелось в виду сравнение!
Такой код был бы совершенно некорректным, если бы a и b имели встроенный тип. Одним из критериев качества пользовательских типов является совместимость со встроенными (см. также правило 18), а возможность присваивания значения результату произведения двух объектов представляется мне весьма далекой от совместимости. Если же объявить, что operator* возвращает константное значение, то такая ситуация станет невозможной. Вот почему Так Следует Поступать.
В отношении аргументов с модификатором const трудно сказать что-то новое; они ведут себя как локальные константные const-объекты. Всюду, где возможно, добавляйте этот модификатор. Если модифицировать аргумент или локальный объект нет необходимости, объявите его как const. Вам всего-то придется набрать шесть символов, зато это предотвратит досадные ошибки типа «хотел напечатать ==, а нечаянно напечатал =» (к чему это приводит, мы только что видели).
Константные функции-члены
Назначение модификатора const в объявлении функций-членов – определить, какие из них можно вызывать для константных объектов. Такие функции-члены важны по двум причинам. Во-первых, они облегчают понимание интерфейса класса, ведь полезно сразу видеть, какие функции могут модифицировать объект, а какие нет. Во-вторых, они обеспечивают возможность работать с константными объектами. Это очень важно для написания эффективного кода, потому что, как объясняется в правиле 20, один из основных способов повысить производительность программ на C++ – передавать объекты по ссылке на константу. Но эта техника будет работать только в случае, когда функции-члены для манипулирования константными объектами объявлены с модификатором const.
Многие упускают из виду, что функции, отличающиеся только наличием const в объявлении, могут быть перегружены. Это, однако, важное свойство C++. Рассмотрим класс, представляющий блок текста:
class TextBlock {
public:
...
const char& operator[](std::size_t position) const // operator[] для
{return text[position];} // константных объектов
char& operator[](std::size_t position) // operator[] для
{return text[position];} // неконстантных объектов
private:
std::string text;
};
Функцию operator[] в классе TextBlock можно использовать следующим образом:
TextBlock tb(“Hello”);
Std::cout << tb[0]; // вызов неконстантного
// оператора TextBlock::operator[]
const TextBlock ctb(“World”);
Std::cout << ctb[0]; // вызов константного
// оператора TextBlock::operator[]
Кстати, константные объекты чаще всего встречаются в реальных программах в результате передачи по указателю или ссылке на константу. Приведенный выше пример ctb является довольно искусственным. Но вот вам более реалистичный:
void print(const TextBlock& ctb) // в этой функции ctb – ссылка
// на константный объект
{
std::cout << ctb[0]; // вызов const TextBlock::operator[]
...
}
Перегружая operator[] и создавая различные версии с разными возвращаемыми типами, вы можете по-разному обрабатывать константные и неконстантные объекты TextBlock:
std::cout << tb[0]; // нормально – читается
// неконстантный TextBlock
tb[0] = ‘x’; // нормально – пишется
// неконстантный TextBlock
std::cout << ctb[0]; // нормально – читается
// константный TextBlock
ctb[0] = ‘x’; // ошибка! – запись
// константного TextBlock
Отметим, что ошибка здесь связана только с типом значения, возвращаемого operator[]; сам вызов operator[] проходит нормально. Причина ошибки – в попытке присвоить значение объекту типа const char&, потому что это именно такой тип возвращается константной версией operator[].
Отметим также, что тип, возвращаемый неконстантной версией operator[], – это ссылка на char, а не сам char. Если бы operator[] возвращал просто char, то следующее предложение не скомпилировалось бы:
tb[0] = ‘x’;
Это объясняется тем, что возвращаемое функцией значение встроенного типа модифицировать некорректно. Даже если бы это было допустимо, тот факт, что C++ возвращает объекты по значению (см. правило 20), означал бы следующее: модифицировалась копия tb.text[0], а не само значение tb.text[0]. Вряд ли это то, чего вы ожидаете.
Давайте немного передохнем и пофилософствуем. Что означает для функции-члена быть константной? Существует два широко распространенных понятия: побитовая константность (также известная как физическая константность) и логическая константность.
Сторонники побитовой константности полагают, что функция-член константна тогда и только тогда, когда она не модифицирует никакие данные-члены объекта (за исключением статических), то есть не модифицирует ни одного бита внутри объекта. Определение побитовой константности хорошо тем, что ее нарушение легко обнаружить: компилятор просто ищет присваивания членам класса. Фактически, побитовая константность – это константность, определенная в C++: функция-член с модификатором const не может модифицировать нестатические данные-члены объекта, для которого она вызвана.
К сожалению, многие функции-члены, которые ведут себя далеко не константно, проходят побитовый тест. В частности, функция-член, которая модифицирует то, на что указывает указатель, часто не ведет себя как константная. Но если объекту принадлежит только указатель, то функция формально является побитово константной, и компилятор не станет возражать. Это может привести к неожиданному поведению. Например, предположим, что есть класс подобный Text-Block, где данные хранятся в строках типа char * вместо string, поскольку это необходимо для передачи в функции, написанные на языке C, который не понимает, что такое объекты типа string.
class CtextBlock {
public:
...
char& operator[](std::size_t position) const // неудачное (но побитово
{ return pText[position]} // константное)
// объявление operator[]
private:
char *pText;
};
В этом классе функция operator[] (неправильно!) объявлена как константная функция-член, хотя она возвращает ссылку на внутренние данные объекта (эта тема обсуждается в правиле 28). Оставим это пока в стороне и отметим, что реализация operator[] никак не модифицирует pText. В результате компилятор спокойно сгенерирует код для функции operator[]. Ведь она действительно является побитово константной, а это все, что компилятор может проверить. Но посмотрите, что происходит:
const CtextBlock cctb(“Hello”); // объявление константного объекта
char &pc = &cctb[0]; // вызов const operator[] для получения
// указателя на данные cctb
*pc = ‘j’; // cctb теперь имеет значение “Jello”
Несомненно, есть что-то некорректное в том, что вы создаете константный объект с определенным значением, вызываете для него только константную функцию-член и тем не менее изменяете его значение!
Это приводит нас к понятию логической константности. Сторонники этой философии утверждают, что функции-члены с const могут модифицировать некоторые биты вызвавшего их объекта, но только так, чтобы пользователь не мог этого обнаружить. Например, ваш класс CTextBlock мог бы кэшировать длину текстового блока при каждом запросе:
Class CtextBlock {
public:
...
std::size_t length() const;
private:
char *pText;
std::size_t textLength; // последнее вычисленное значение длины
// текстового блока
bool lengthIsValid; // корректна ли длина в данный момент
};
std::size_t CtextBlock::length() const
{
if(!lengthIsValid) {
textLength = std::strlen(pText); // ошибка! Нельзя присваивать
lengthIsValid = true; // значение textLength и
} // lengthIsValid в константной
// функции-члене
return textLength;
}
Эта реализация length(), конечно же, не является побитово константной, поскольку может модифицировать значения членов textLength и lengthlsValid. Но в то же время со стороны кажется, что константности объектов CTextBlock это не угрожает. Однако компилятор не согласен. Он настаивает на побитовой константности. Что делать?
Решение простое: используйте модификатор mutable. Он освобождает нестатические данные-члены от ограничений побитовой константности:
Class CtextBlock {
public:
...
std::size_t length() const;
private:
char *pText;
mutable std::size_t textLength; // Эти данные-члены всегда могут быть
mutable bool lengthIsValid; // модифицированы, даже в константных
}; // функциях-членах
std::size_t CtextBlock::length() const
{
if(!lengthIsValid) {
textLength = std::strlen(pText); // теперь порядок
lengthIsValid = true; // здесь то же
}
return textLength;
}
Как избежать дублирования в константных и неконстантных функциях-членах
Использование mutable – замечательное решение проблемы, когда побитовая константность вас не вполне устраивает, но оно не устраняет всех трудностей, связанных с const. Например, представьте, что operator[] в классе TextBlock (и CTextBlock) не только возвращает ссылку на соответствующий символ, но также проверяет выход за пределы массива, протоколирует информацию о доступе и, возможно, даже проверяет целостность данных. Помещение всей этой логики в обе версии функции operator[] – константную и неконстантную (даже если забыть, что теперь мы имеем необычно длинные встроенные функции – см. правило 30) – приводит к такому вот неуклюжему коду:
class TextBlock {
public:
...
const char& operator[](std::size_t position) const
{
... // выполнить проверку границ массива
... // протоколировать доступ к данным
... // проверить целостность данных
return text[position];
}
char& operator[](std::size_t position) const
{
... // выполнить проверку границ массива
... // протоколировать доступ к данным
... // проверить целостность данных
return text[position];
}
private:
std:string text;
};
Ох! Налицо все неприятности, связанные с дублированием кода: увеличение времени компиляции, размера программы и неудобство сопровождения. Конечно, можно переместить весь код для проверки выхода за границы массива и прочего в отдельную функцию-член (естественно, закрытую), которую будут вызывать обе версии operator[], но обращения к этой функции все же будут дублироваться.
В действительности было бы желательно реализовать функциональность operator[] один раз, а использовать в двух местах. То есть одна версия operator[] должна вызывать другую. И это подводит нас к вопросу об отбрасывании константности.
С самого начала отметим, отбрасывать константность нехорошо. Я посвятил целое правило 27 тому, чтобы убедить вас не делать этого, но дублирование кода – тоже не сахар. В данном случае константная версия operator[] делает в точности то же самое, что неконстантная, и отличие между ними – лишь в присутствии модификатора const. В этой ситуации отбрасывать const безопасно, поскольку пользователь, вызывающий неконстантный operator[], так или иначе должен получить неконстантный объект. Ведь в противном случае он не стал бы вызывать неконстантную функцию. Поэтому реализация неконстантного operator[] путем вызова константной версии – это безопасный способ избежать дублирования кода, даже пусть даже для этого требуется воспользоваться оператором const_cast. Ниже приведен получающийся в результате код, но он станет яснее после того, как вы прочитаете следующие далее объяснения:
class TextBlock {
public:
...
const char& operator[](std::size_t position) const // то же, что и раньше
{
...
...
...
return text[position];
}
char& operator[](std::size_t position) const // теперь просто
// вызываем const op[]
{
return
const_cast( // из возвращаемого типа
// op[] исключить const
static_cast(*this) // добавить const типу
// *this
[position] // вызвать константную
); // версию op[]
}
...
};
Как видите, код включает два приведения, а не одно. Мы хотим, чтобы неконстантный operator[] вызывал константный, но если внутри неконстантного оператора [] просто вызовем operator[], то получится рекурсивный вызов. Во избежание бесконечной рекурсии нужно указать, что мы хотим вызвать const operator[], но прямого способа сделать это не существует. Поэтому мы приводим *this от типа TextBlock& к const TextBlock&. Да, мы выполняем приведение, чтобы добавить константность! Таким образом, мы имеем два приведения: одно добавляет константность *this (чтобы был вызван const operator[]), а второе – исключает const из типа возвращаемого значения.
Приведение, которое добавляет const, выполняет безопасное преобразование (от неконстантного объекта к константному), поэтому мы используем для этой цели static_cast. Приведение же, которое отбрасывает const, может быть выполнено только с помощью const_cast, поэтому у нас здесь нет выбора. (Строго говоря, выбор есть. Приведение в стиле C также работает, но, как я объясняю в правиле 27, такие приведения редко являются правильным рещением. Если вы не знакомы с операторами static_cast или const_cast, прочитайте о них в правиле 27.)
Помимо всего прочего, в этом примере мы вызываем оператор, поэтому синтаксис выглядит немного странно. Возможно, этот код не займет приз на конкурсе красоты, зато позволяет достичь нужного эффекта – избежать дублирования посредством реализации неконстантной версии operator[] в терминах константной. И хотя для достижения цели пришлось воспользоваться неуклюжим синтаксисом, который сможете понять только вы сами, однако техника реализации неконстантных функций-членов через неконстантные определенно заслуживает того, чтобы ее знать.
А еще нужно иметь в виду, что решать эту задачу наоборот – путем вызова неконстантной версии из константной – неправильно. Помните, что константная функция-член обещает никогда не изменять логическое состояние объекта, а неконстантная не дает таких гарантий. Если вы вызовете неконстантную функцию из константной, то рискуете получить ситуацию, когда объект, который не должен модифицироваться, будет изменен. Вот почему этого не следует делать: чтобы объект не изменился. Фактически, чтобы получить компилируемый код, вам пришлось бы использовать const_cast для отбрасывания константности *this, а это явный признак неудачного решения. Обратная последовательность вызовов – такая, как описана выше, – безопасна. Неконстантная функция-член может делать все, что захочет с объектом, поэтому вызов из нее константной функции-члена ничем не грозит. Потому-то мы и применяем к *this оператор static_cast, отбрасывания константности при этом не происходит.
Как я уже упоминал в начале этого правила, модификатор const – чудесная вещь. Для указателей и итераторов; для объектов, на которые ссылаются указатели, итераторы и ссылки; для параметров функций и возвращаемых ими значений; для локальных переменных, для функций-членов – всюду const ваш мощный союзник. Используйте его, где только возможно. Вам понравится!
Что следует помнить• Объявление чего-либо с модификатором const помогает компиляторам обнаруживать ошибки. const можно использовать с объектами в любой области действия, с параметрами функций и возвращаемых значений, а также с функциями-членами в целом.
• Компиляторы проверяют побитовую константность, но вы должны программировать, применяя логическую константность.
• Когда константные и неконстантные функции-члены имеют, по сути, одинаковую реализацию, то дублирования кода можно избежать, заставив неконстантную версию вызывать константную.
Правило 4: Прежде чем использовать объекты, убедитесь, что они инициализированы