容器及其内容的const和non-const之间的区别

Question

如果使用诸如std::vector这样的容器类，就会有两个不同的常量性概念：容器本身的（即其大小）和元素的。看起来std::vector混淆了这两者，因此以下简单代码将无法编译：

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，尽管std::vector的数据成员（指向数据开头和结尾以及分配缓冲区结尾的三个指针）在调用其operator[]时没有被改变，但是该成员不是const——这难道不是一个奇怪的设计吗？

还要注意，对于原始指针，这两个常量的概念是清晰分开的，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;
};

运行良好。

那么在使用 std::vector（不使用 mutable）时，正确/推荐的处理方式是什么？

像这样使用 const_cast<> 是否可行：

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

认为是可以接受的（X已知不是const，因此这里没有未定义行为）？

编辑 仅为了防止进一步混淆：我确实想要修改元素，即容器的内容但不包括容器本身（大小和/或内存位置）。

- Walter

---

std::vector的数据可以通过调用operator[]进行更改。由于您已经编写了A::X，因此a.x(1)++;是完全合法的，并且会修改向量的内容。 - David Schwartz

@DavidSchwartz 向量的内容并不是它实际的数据（尽管您可以逻辑上将它们视为这样）。如果您检查std::vector，它只有3个指针作为数据（数据的开始和结束以及缓冲区的结束）。这些保持不变。 - Walter

Answer 1

C++仅支持一级const。就编译器而言，它是按位const：对象中实际的“位”（即sizeof中计数的位）不能在不进行某些操作（如const_cast等）的情况下被修改，但任何其他东西都是公平的。在C++早期（上世纪80年代末，90年代初），人们对按位const和逻辑const设计优劣的讨论很多（逻辑const也称为Humpty-Dumpty const，因为正如Andy Koenig曾经告诉我的那样，当程序员使用const时，它的含义确确实实是程序员想要它的含义）。最终达成了以逻辑const为核心的共识。

这意味着容器类的作者必须做出选择。容器的元素是否是容器的一部分？如果他们是容器的一部分，则在容器为const时无法修改它们。无法提供选择；容器的作者必须选择一个或另一个。在这里，也似乎存在共识：元素是容器的一部分，如果容器是const，则无法修改它们。（也许与C风格数组的相似之处发挥了作用；如果C风格数组是const，则无法修改其任何元素。）

就像你一样，我遇到过想要禁止修改向量的大小（可能是为了保护迭代器），但不想禁止修改其元素。没有真正令人满意的解决方案；我能想到的最好办法是创建一个新类型，其中包含一个mutable std::vector，并提供相应于我在这种特定情况下需要的const含义的转发函数。如果您想区分三个级别（完全const、部分const和非const），则需要派生。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 );），子类可以添加非const函数。

<p>该类使用了保护继承，使得只有派生类可以调用插入和删除元素的函数（例如void insert( int value, size_t index );，但不包括void push_back( int );）; 对于不应插入或删除元素的客户端，仅传递给基类一个非const引用。</p>

- James Kanze

---

+1 很好的讨论。然而，我并不认同一个容器类的设计者没有选择的事实。可以实现一个容器类，将其元素的const性作为模板参数，并允许在const和非const容器之间使用移动转换（使用智能指针）。尽管你的基础派生设计看起来更简单。 - Walter

@Walter 一个容器类的设计者有各种选择。在这种情况下，std::vector 的设计者做出了似乎存在普遍共识的选择——我所知道的大多数预标准容器都做出了相同的选择。全球范围内似乎没有太大的需求，需要提供三个级别的 const（无、部分或完全），除非是特殊情况（例如 std::array）。 （在预标准时代，我的一个数组类将大小作为构造函数参数，并且不提供以后更改大小的可能性。） - James Kanze

@JamesKanze：解释非常好，但是顶部的前两个开头句子给人的印象是位运算const是C++支持的那一个。*(我希望没有太多C++程序员是TL;DR)* 这个开头句子在编译器后端是正确的，但前端只认为const是一种语法辅助 - 它仅用于类型检查。 （顺便说一下，C++11引入了编译时constexpr。）逻辑上的const只存在于程序员的大脑中。当一个人开始多线程编程时，C++程序员会意识到其中的差异。 - rwong

@rwong，该编程语言（及其编译器）正式仅支持位常量。但是const是类型系统的一部分，当您在其上进行重载时，可以将其定义为任何您想要的含义。今天的共识是程序员应该实现逻辑const（因为语言或编译器无法做到这一点，因为它不知道在任何给定上下文中什么是“逻辑”的）。 - James Kanze

Answer 2

不幸的是，与指针不同，你不能像这样做：

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

这就是为什么std::vector无法区分两种可能应用的const类型，因此必须保守处理。个人而言，我会选择采取以下措施：

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

编辑：正如另一位评论者准确指出的，迭代器确实模拟了这种二分法。如果您在一个const方法中存储了一个指向vector<int>::iterator的开头，然后对其进行反引用，您可以得到一个非const的int&。我想是这样的。但您必须小心无效化。

- Puppy

---

迭代器的使用提出了一个有趣的解决方案：一个“视图”类，它仅包含开始和结束迭代器，并提供他想要的有限功能。（同样，一个带有指向向量的指针的视图类也可以。） - James Kanze

Answer 3

这不是一种奇怪的设计，而是一个非常明智的选择，在我看来是正确的。

你的B示例并不是std::vector的好比喻，一个更好的类比是：

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

但是，这里有一个非常有用的区别，那就是可以调整数组大小。与您最初的代码一样，上述代码无效，因为数组（或vector）元素在概念上是包含类型的“成员”（技术上是子对象），所以您不应该能够通过const成员函数修改它们。

我认为const_cast是不可接受的，使用mutable也不可取，除非作为最后的手段。你应该问问自己为什么要更改一个const对象的数据，并考虑将成员函数设置为非const。

- Jonathan Wakely

---

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()等函数在这个类比中应该放在哪里？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，但不能访问大小。这在std::vector中是不可能的。我认为通常解决这个问题的方法是提供迭代器，通常允许更改内容，但不允许更改容器。 - Walter

这只是一种类比，不要太过于字面化解读。无论如何，resize不是常量，因此可以更改对象。关于迭代器我不确定你的意思，但是标准容器都不会给你提供一个非常量迭代器到一个常量容器中。 - Jonathan Wakely

我所说的迭代器是指，如果你有一个（非const）迭代器，你不能修改容器。因此，容器保持不变，而元素可以被修改。 - Walter

Answer 4

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

- FredericS

---

vector::at() 的 const 重载返回一个 const 引用，所以这并没有帮助。 - Jonathan Wakely