C++ 中的 const 正确性语义

Question

为了乐趣和利润™，我正在用 C++ 编写一个 trie 类（使用 C++11 标准。）

我的trie<T> 有一个迭代器trie<T>::iterator。 （它们实际上都是功能const_iterators，因为你不能修改trie 的value_type。）迭代器的类声明部分看起来像这样：

template<typename T>
class trie<T>::iterator : public std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, T> {
    friend class trie<T>;
    struct state {
        state(const trie<T>* const node, const typename std::vector<std::pair<typename T::value_type, std::unique_ptr<trie<T>>>>::const_iterator& node_map_it ) :
            node{node}, node_map_it{node_map_it} {}
// This pointer is to const data:
        const trie<T>* node;
        typename std::vector<std::pair<typename T::value_type, std::unique_ptr<trie<T>>>>::const_iterator node_map_it;
    };
public:
    typedef const T value_type;
    iterator() =default;
    iterator(const trie<T>* node) {
        parents.emplace(node, node->children.cbegin());
            // ...
    }
    // ...
private:
    std::stack<state> parents;
    // ...
};

注意node 指针声明为const。这是因为（在我看来）迭代器不应该修改它指向的节点；它只是一个迭代器。

现在，在我的主要 trie<T> 类的其他地方，我有一个具有通用 STL 签名的擦除函数——它需要一个 iterator 来擦除数据（并返回一个 iterator 到下一个对象）。

template<typename T>
typename trie<T>::iterator trie<T>::erase(const_iterator it)
{
    // ...

    // Cannot modify a const object!
    it.parents.top().node->is_leaf = false;

    // ...
}

编译器报错是因为node 指针是只读的！ erase 函数肯定应该修改迭代器指向的 trie，即使迭代器不应该这样做。

所以，我有两个问题：

1. iterator 的构造函数应该公开吗？ trie<T> 有必要的begin() 和end() 成员，当然trie<T>::iterator 和trie<T> 是共同的朋友，但我不'不知道约定是什么。将它们设为私有将解决我对从迭代器的构造函数中删除 const“承诺”的许多焦虑。
2. 关于迭代器及其node 指针的正确const 语义/约定是什么？ 从来没有人向我解释过这一点，我在网上找不到任何教程或文章。这可能是更重要的问题，但它确实需要大量的计划和适当的实施。我想它可以通过实现 1 来规避，但这是事情的原理！

Answer 1

1) 所有迭代器都必须是可复制构造的。您的迭代器是双向的，因此也需要默认构造（http://en.cppreference.com/w/cpp/concept/ForwardIterator），尽管我不知道为什么。所以默认构造函数需要公开，但你可以用const trie<T>* 做你喜欢的事情。我认为它应该是私有的，因为此类的目的是为用户提供对 trie 的迭代器，因此它的公共接口应该只是适当类别的迭代器的接口。不需要任何额外的公共构造函数。

2) erase 是一个非常量函数。您可以有效传递给它的唯一迭代器是引用与调用该函数相同的 trie 的迭代器，这意味着（我认为，尽管我不太确定我是否遵循了您的设计）父级的整个层次结构是非常量对象。所以我怀疑这是你可以const_cast<trie<T>*>(it.parents.top().node) 的情况之一。 iterator 不允许使用它来修改 trie，这就是为什么你希望它保存一个指向 const 的指针。但是当你持有一个指向 trie 的非 const 指针时，即this，你可以修改它的任何你喜欢的部分，而迭代器只是给你一个开始修改的位置。

您可以在这里绘制一些更一般的 const-safety 原则。 container::erase(const_iterator) 函数中的一种可能情况是，您从迭代器中获得的 const container* 等于 this。在那种情况下，const_cast 肯定既安全又合法（也是不必要的，因为您可以只使用this，但这与它是否是 const 正确无关）。在您的容器中，它（通常）不等于this，它指向几个trie 对象之一，这些对象共同构成this 所属的分层容器。好消息是，整个容器在逻辑上是 const 或逻辑上非常量，因此 const_cast 就像它是一个对象一样安全和合法。但是要证明正确有点困难，因为您必须确保在您的设计中，整个分层容器确实像我假设的那样共享非常量。

Answer 2

trie 的非const 方法希望修改const_iterator 指向的内容（它指向的内容应该在trie 的this 实例内）应该根据需要只使用const_cast。您知道这是一个安全且已定义的强制转换，因为如果有人设法调用此trie 的非const 实例，那么此trie 实例本身就不是const。*

或者，您可以做相反的事情并在const_iterator 中保留指向trie 的非const 指针，这将在构造时需要const_cast。出于同样的原因，这是安全的，如上所述。 const_iterator 方法将仅提供 const 访问权限，因此用户无法更改迭代器指向的 trie 的部分。如果const_iterator 需要在非const trie 方法中进行突变，那没关系，因为trie 首先一定不是const。*

这里const_casting 安全的前提是，只要您不改变该对象，就可以安全地持有和使用指向const 对象的非const 指针。并且可以安全地将指针的 constness 丢弃，该指针指向最初未声明为 const 的东西。

*是的，非const trie 方法的调用者可能以未定义的方式拥有const_cast；但在这种情况下，导致未定义行为的责任在他们头上，而不是tries。

Answer 3

1. iterator 的构造函数应该公开吗？

至少是复制构造函数，是的。看看这张图表，它描述了每种类型的迭代器应该具有的特征：

http://www.cplusplus.com/reference/iterator/

所有迭代器类型都应该是可复制构造、可复制赋值和可破坏的，这意味着它们需要公共的复制构造函数。一些迭代器，例如RandomAccessIterator 也应该是默认可构造的，因此默认构造函数也应该是公共的。

1. 关于迭代器及其node 指针的正确const 语义/约定是什么？

如果你想拥有一个erase，那么你实际上并没有const_iterator，你有一个普通的iterator。两者的区别在于，如果你有一个consttrie 对象，那么你只能从中得到一个const_iterator，因为你不能以任何方式修改它。

您可以在 STL 容器中注意到这一点。他们往往同时拥有：

iterator begin();
const_iterator begin() const;

通常发生的情况是你实现了const_iterator 然后：

class iterator : public const_iterator {...};

它实现了一个或两个非常量函数。这对你来说可能只意味着erase，因为你的operator* 将保持不变。