C++中类中const知识应用详解

jinchanchanwaji

下面将从const 成员、const 成员函数、const 对象、mutable、constexpr 等方面，逐一详解 C++ 类中常见的 const 用法及注意事项，并配合示例。


一、const 数据成员
1.必须在初始化列表中初始化

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class A {
    const int x;    // const 成员
public:
    A(int v) : x(v) { }   // ❌ 合法：初始化列表中初始化
    // A(int v) { x = v; } // ❌ 错误：无法在函数体内赋值
};

2.不可修改

一旦初始化，之后在对象生存期内不能再改变。
可用于对外保证成员不被篡改。
与静态成员结合

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class B {
    static const int N = 100;  // 类内常量，若需要 ODR 定义，则在 cpp 中：
    // const int B::N; 
};

static const 整数／枚举成员可在类内直接给初始值，不占实例空间。

二、const 成员函数
在成员函数后添加 const，表明该函数不会修改任何非 mutable 成员，也不会调用非 const 成员函数。

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class C {
    int x;
public:
    C(int v): x(v) {}
    int  getX() const {      // 常量成员函数
        return x;             // 只能访问 x，不可修改
    }
    void setX(int v) {       // 非 const 函数
        x = v;
    }
};

调用约束

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const C c1(5);
c1.getX();     // ✅ 可以调用 const 成员函数
// c1.setX(7); // ❌ 错误：不能调用非 const 成员函数

隐式 this 类型
在 const 成员函数中，this 的类型为 const C*，保证不可修改成员。

三、const 对象

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C obj1(3);      // 普通对象
const C obj2(4); // 常量对象，只能调用 const 成员函数

只读语义：obj2 的所有非 static 数据成员对于外部都是只读的。

可与指针/引用混用：

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void foo(const C& c);
foo(obj1);    // OK，将 obj1 作为只读参数

四、mutable 修饰符
当你希望在 const 成员函数中仍然修改某些成员，可将它们声明为 mutable：

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class Logger {
    mutable std::ostream& os;  // 即使在 const 函数中也可修改
public:
    Logger(std::ostream& _os): os(_os) {}
    void log(const std::string& msg) const {
        os << msg << std::endl; // OK，os 是 mutable
    }
};

场景：缓存、延迟初始化、统计访问次数等。

五、constexpr 与常量表达式
C++11 起，可将成员函数或构造函数声明为 constexpr，使其在编译期计算：

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class Point {
    int x, y;
public:
    constexpr Point(int _x, int _y): x(_x), y(_y) {}
    constexpr int getX() const { return x; }
    constexpr int getY() const { return y; }
};

constexpr Point p(1,2);
static_assert(p.getX() == 1, "");  // 在编译期验证

注意：

constexpr 成员函数 必须 同时 是 const（除了构造函数）。
只有在满足编译期求值规则时才真正成为常量表达式。

六、与继承结合

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struct Base {
    virtual void foo() const {
        // ...
    }
};
struct Derived : Base {
    void foo() const override { // 覆盖 const 成员函数
        // ...
    }
};

覆盖时签名要一致：返回类型、参数列表后是否 const 都要相同，否则不构成覆盖。

七、注意事项汇总
忘记在初始化列表中初始化 const 成员

会导致编译错误。
在 const 成员函数中尝试修改非 mutable 成员

编译器会报错，防止越界修改。
constexpr 函数应当尽量简单

包含循环与分支也支持，但要遵守常量表达式的限制。
不要滥用 mutable

可能破坏对象的逻辑常量性（logical constness），只在真正需要缓存、延迟初始化时使用。
接口设计

对于只读操作，应当标记为 const；有副作用的操作，要去除 const，让常量对象无法调用。


八、综合示例

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#include <iostream>
#include <vector>

class Matrix {
    const int rows, cols;           // 必须初始化
    std::vector<double> data;       // 默认构造
    mutable bool           dirty;   // 缓存标志
public:
    // constexpr 构造 + 初始化列表
    constexpr Matrix(int r, int c)
      : rows(r), cols(c), data(r*c), dirty(true) {}

    // const 成员函数：只读访问
    double get(int i, int j) const {
        dirty = false;             // OK：dirty 是 mutable
        return data[i*cols + j];
    }
    // 非 const 成员函数：修改
    void set(int i, int j, double v) {
        data[i*cols + j] = v;
        dirty = true;
    }

    constexpr int getRows() const { return rows; }
    constexpr int getCols() const { return cols; }

    bool isDirty() const { return dirty; }
};

int main() {
    Matrix M(2,3);
    M.set(0,0,1.23);
    std::cout << M.get(0,0) << "\n";    // 可以修改 dirty
    std::cout << std::boolalpha 
              << M.isDirty() << "\n";   // false
    constexpr Matrix N(3,3);
    static_assert(N.getRows()==3, "");  // 编译期校验
    return 0;
}