容器及其内容的 const 与非 const答案

【问题标题】：const vs non-const of container and its content容器及其内容的 const 与非 const
【发布时间】：2013-02-11 16:07:09
【问题描述】：

对于容器类，例如std::vector，有两个不同的常量概念：容器的概念（即它的大小）和元素的概念。似乎std::vector 混淆了这两者，以至于下面的简单代码无法编译：

struct A {
  A(size_t n) : X(n) {}
  int&x(int i) const { return X[i]; }    // error: X[i] is non-const.
private:
  std::vector<int> X;
};

请注意，即使std::vector 的数据成员（指向数据的开始和结束以及分配缓冲区结束的三个指针）没有被调用它的operator[]，这个成员不是const——这不是一个奇怪的设计吗？

还要注意，对于原始指针，这两个常量性概念被巧妙地分开，因此相应的原始指针代码

struct B {
  B(size_t n) : X(new int[n]) {}
  ~B() { delete[] X; }
  void resize(size_t n);                 // non-const
  int&x(int i) const { return X[i]; }    // fine
private:
  int*X;
};

工作得很好。

那么当使用std::vector（不使用mutable）时，正确/推荐的处理方法是什么？

是const_cast<>，如

int&A::x(int i) const { return const_cast<std::vector<int>&>(X)[i]; }

认为可以接受（X 已知不是const，所以这里没有 UB）？

EDIT 只是为了防止进一步混淆：我确实想修改元素，即 容器的内容，而不是容器本身（大小和/或内存位置）。

【问题讨论】：

std::vector 的数据可以通过调用operator[] 来更改。正如您所写的A::X，a.x(1)++; 是完全合法的，并且会修改向量的内容。
@DavidSchwartz 向量的 contents 不是它的实际 data（尽管您可以在逻辑上将它们关联起来）。如果您检查std::vector，它只有 3 个指针作为数据（数据的开头和结尾以及缓冲区的结尾）。这些保持不变。

标签： c++ constants containers

【解决方案1】：

C++ 只支持一级const。至于编译器关心的是，它是按位常量：实际上在对象（即计入sizeof）不能修改玩游戏（const_cast 等），但其他一切都是公平的游戏。在 C++ 的早期（1980 年代末，1990 年代初）有关于按位的设计优势进行了很多讨论 const 与逻辑 const（也称为 Humpty-Dumpty const，因为正如 Andy Koenig 曾经告诉我的，当程序员使用 const，这正是程序员想要的意思）。最终达成共识，支持逻辑常量。

这确实意味着容器类的作者必须一个选择。容器的元素是容器，或者不是。如果它们是容器的一部分，那么它们如果容器是 const，则无法修改。没有办法提供选择；容器的作者必须选择一个或另一个。在这里，似乎也有一个共识：元素是容器的一部分，如果容器是 const，它们不能被修改。（也许与 C 风格的数组在这里发挥了作用；如果 C 样式数组是 const，那么你不能修改它的任何元素。）

和你一样，我也遇到过想要禁止的时候修改向量的大小（也许是为了保护迭代器），但不是它的元素。真的没有满意的解决方案；我能想到的最好的就是创造一个新类型，它包含一个mutable std::vector，并提供对应const含义的转发函数我需要在这种特定情况下。如果你想区分三个级别（完全 const、部分 const 和非常量），你需要推导。基类只公开完全 const 和部分 const 函数（例如 const int operator[]( size_t index ) const; 和 int operator[]( size_t index );，但不是 void push_back( int );）；这允许插入和删除元素的函数是仅在派生类中公开。不应该的客户插入或删除元素仅传递非常量引用到基类。

【讨论】：

+1 很好的讨论。不过，我不相信容器类的设计者别无选择。可以实现一个容器类，该类将其元素的 const-ness 作为模板参数，并允许在 const 和非 const 容器之间进行移动转换（使用智能指针）。不过，您的基础派生设计看起来更简单。
@Walter 容器类的设计者有各种各样的选择。在这种情况下，std::vector 的设计者制作了一个似乎已达成普遍共识的容器——我所知道的大多数预标准容器都是相同的。在全球范围内，对于提供三个级别的const（无、部分或完整）的容器似乎没有很大的需求，除非在特殊情况下（例如std::array）。（在标准之前的日子里，我的一个数组类将大小作为构造函数参数，并且以后不可能更改它。）
@JamesKanze：解释很好，但是最顶部的前两个开头句给人的印象是按位 const 是 C++ 支持的。 （希望 C++ 程序员没有太多的 TL;DR。） 这句话在编译器后端是正确的，但前端只认为const 是一个句法辅助 - 它用于类型检查，仅此而已。（顺便说一句，C++11 引入了编译时constexpr。）逻辑 const-ness 只存在于程序员的大脑中。当一个 C++ 程序员开始多线程编程时，就会意识到这些差异。
@rwong 语言（及其编译器）在形式上只支持按位常量。但是 const 是类型系统的一部分，当你重载它时，你可以将它定义为你想要的任何含义。今天的共识是程序员应该实现逻辑常量（语言或编译器不能这样做，因为它不知道在任何给定上下文中什么是“逻辑”）。

【解决方案2】：

不幸的是，与指针不同，你不能做类似的事情

std::vector<int> i;
std::vector<const int>& ref = i;

这就是为什么std::vector 无法消除可能适用的两种const 之间的歧义，而且它必须是保守的。我个人会选择做类似的事情

const_cast<int&>(X[i]);

编辑：正如另一位评论者准确指出的那样，迭代器确实模拟了这种二分法。如果您在开头存储了一个 vector<int>::iterator，那么您可以在 const 方法中取消引用它并取回一个非 const int&。我认为。但是你必须小心失效。

【讨论】：

迭代器的使用提出了一个有趣的解决方案：一个只包含开始和结束迭代器的view 类，并且只提供他想要的有限功能。（就此而言，带有指向向量的指针的视图类也可以。）

【解决方案3】：

这不是一个奇怪的设计，这是一个非常慎重的选择，而且是正确的恕我直言。

您的 B 示例不能很好地类比 std::vector，更好的类比是：

struct C {
   int& get(int i) const { return X[i]; }
   int X[N];
};

但有一个非常有用的区别是可以调整数组的大小。上面的代码由于与原始代码相同的原因无效，数组（或vector）元素在概念上是包含类型的“成员”（技术上的子对象），因此您不应该能够通过const 成员函数。

我会说const_cast 是不可接受的，除非作为最后的手段，否则也不能使用mutable。您应该询问为什么要更改 const 对象的数据，并考虑将成员函数设为非 const。

【讨论】：

这是一个解释问题。如果您将 vector 视为可重新调整大小的 C 数组，那么我同意。但是，那么 resize() 等函数在哪里适合这个类比呢？它们必须不仅仅是常量：您希望能够对元素进行非常量访问，但不能对大小进行访问。 std::vector 无法做到这一点。我认为解决这个问题的常用方法是提供迭代器，它通常允许更改内容，但不能更改容器。
这只是一个比喻，不要太从字面上理解，反正resize不是const，所以允许对对象进行变异。不知道你对迭代器的意思是什么，但没有一个标准容器会给你一个非常量的迭代器到一个 const 容器。
我对迭代器的意思是，如果你有一个（非常量）迭代器，你就不能修改容器。所以容器保持不变，而元素可以被修改。

【解决方案4】：

我建议使用std::vector::at() 方法而不是const_cast。

【讨论】：

vector::at() 的 const 重载返回一个 const 引用，所以这无济于事