关于 const 的一切

引言

const 是 C++ 语言中的一个关键字，用于声明常量。它可以用于变量、指针、引用、成员函数等，表示这些实体的值在初始化后不能被修改。正确使用 const 可以提高代码的可读性、安全性和优化性能。
本文将使用简单示例并结合 C++/WinRT、Windows App SDK、WinUI 3 实战，包括：

• 顶层/底层 const、auto/模板推导影响
• 成员函数 const 与 this 指针类型、基于 const 的重载、迭代器语义
• mutable 与“逻辑常量性”、缓存场景
• 返回值/生命周期、NRVO、const 抑制移动的影响
• 内存布局与段（.rdata/栈/静态存储期），const 不改变对象布局
• C++/WinRT/WinUI 3 实战：事件处理参数签名（IInspectable const&/Args const&）、VM 属性 getter const noexcept、hstring/param::hstring 选择、只读集合 IVectorView、span/array_view 的只读视图
• API 设计清单与进阶示例（只读缓冲、可移动/只读接口分离）

什么时候使用 const

1. 函数参数：
   • 如果函数参数是一个指针或引用，并且函数不需要修改该参数的值，可以将其声明为 const。例如：

     void print(const string& str);

2. 成员函数：
   • 如果成员函数不修改类的成员变量，可以将其声明为 const。例如：

     class MyClass {
     public:
         void display() const;
     };

3. 局部变量：
   • 如果局部变量在初始化后不需要修改，可以将其声明为 const。例如：

     const int max_value = 100;

4. 返回值：
   • 如果函数返回一个指针或引用，并且不希望调用者修改返回的对象，可以将其声明为 const。例如：

     const string& getName() const;

示例

以下是一些使用 const 的示例：

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

void print(const vector<int>& vec) {
    for (const auto& elem : vec) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;
}

class MyClass {
public:
    MyClass(int value) : value(value) {}

    void display() const {
        cout << "Value: " << value << endl;
    }

private:
    int value;
};

int main() {
    const int max_value = 100;
    vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

    print(numbers);

    MyClass obj(42);
    obj.display();

    return 0;
}

在这些示例中，const 关键字用于函数参数、成员函数、局部变量和循环变量，确保这些变量在使用过程中不会被修改。

深入理解 const：函数运行原理、类型系统与内存布局

下面从 C++ 类型系统、调用约定、对象模型与 C++/WinRT（Windows App SDK、WinUI 3）实践的角度深入理解 const。

1) 顶层/底层 const 与类型推导

• 顶层（top-level）const：限定对象本身不能被重新赋值。
  • int* const p：p 是常量指针（指针本身不可变），但指向的 int 可变。
• 底层（low-level）const：限定对象指向/引用的目标不可变。
  • int const* p 或 const int* p：指向常量 int 的指针（指向目标不可修改）。
• 引用总是底层 const 的别名：int const& r = x; 表示通过 r 不能改 x。
• 模板与 auto 推导：
  • auto x = expr; 会去掉顶层 const；auto&/auto const& 保留底层 const。
  • 模板参数 T 对 T const& 仅推导 T，底层 const 体现在引用层。

要点：顶层 const 影响“能否给变量重绑定/赋值”，底层 const 影响“能否通过该别名修改目标”。

2) 成员函数的 const 与 this 指针

• void f() const 的隐式 this 类型为 MyClass const* const：
  • 成员函数内不能修改非 mutable 成员；
  • 不能把 this 重新绑定到别处（顶层 const）。
• 可以对同名函数基于 const 重载：

struct Buffer {
    uint8_t* data();          // 可变访问
    uint8_t const* data() const; // 只读访问
};

• 引用限定符与 const 配合：
  • T&& 成员函数（右值限定）常用于启用移动；const 会禁止移动（见下文）。

3) 迭代器与容器的 const 语义

• begin() 与 begin() const 返回不同类型：非常量对象给可写迭代器，常量对象给只读迭代器。
• 为自定义容器提供成对的 const/非 const 访问器有助于“只读视图”。

4) mutable 与“逻辑常量性”

• mutable 成员允许在 const 成员函数中被修改，用于缓存、统计计数等逻辑不破坏抽象不变量的场景。
• 很多带引用计数的类型（如字符串、小对象优化容器）内部的计数实现通常被视为逻辑常量性的一部分； 在 C++/WinRT 的 winrt::hstring 中，返回值拷贝成本低（共享底层 HSTRING）。

5) 返回值、生命周期与移动

• 不要返回“指向局部对象的 const&”——悬垂引用。
• 给临时对象绑定 const& 可延长临时生命周期到该引用作用域结束：

const std::string& r = std::string("tmp"); // OK，临时延长到 r 的作用域结束

• “返回 const 值”的反模式：

  • const T f(); 对调用者几乎无益，反而妨碍移动（不能对 const 值调用移动赋值/构造）。
  • 更佳：直接返回 T（值），由编译器进行返回值优化（NRVO）或移动。

• const 会抑制移动：

std::string s;
std::string const sc;
auto x = std::move(s);  // 移动
auto y = std::move(sc); // 仍然是拷贝，因为对象是 const

• 设计参数时：只读大对象用 T const&，可转移所有权用 T（按值）或 T&&，避免把需要移动的值声明为 const。

6) 内存布局与段（MSVC/Windows 视角）

• const 不改变对象的内存布局（字段顺序、vptr、对齐均不变）。
• 作用域与存储期：
  • 局部 const 通常在栈上；
  • 具有静态/全局存储期的 const（尤其带内部链接）常放在只读节（如 .rdata）；
  • 字符串字面量放在只读节，共享存储，修改是未定义行为。
• mutable 成员与常量对象同样位于对象内存中；对象整体不一定在只读节，是否放入只读节由存储期与链接属性决定，而非类型的 const 与否。

7) 与 C++/WinRT、Windows App SDK、WinUI 3 的实践

• 事件处理签名采用只读引用，避免拷贝：

void MainWindow::OnClick(
    winrt::Windows::Foundation::IInspectable const& sender,
    winrt::Microsoft::UI::Xaml::RoutedEventArgs const& e)
{
    // sender/e 语义上只读；通常无需也不应修改
}

• 属性（Property）/绑定（Binding）：
  • ViewModel 的只读 getter 建议 const noexcept，表达只读与不抛异常：

struct PersonViewModel : winrt::implements<PersonViewModel, winrt::Windows::UI::Xaml::Data::INotifyPropertyChanged>
{
    winrt::hstring Name() const noexcept { return m_name; } // 按值返回，hstring 开销低
    void Name(winrt::hstring const& v) { if (m_name != v) { m_name = v; RaiseChanged(L"Name"); } }
private:
    winrt::hstring m_name;
};

• hstring 按值返回通常高效；对大型缓冲区参数，优先使用视图：

  • 文本：winrt::param::hstring 或 winrt::hstring const&；
  • 数组/缓冲：winrt::array_view<T const> 或 std::span<T const>。

• 只读集合视图：

  • WinRT 接口按值返回智能句柄式对象（拷贝成本低），但可通过只读接口暴露：

winrt::Windows::Foundation::Collections::IVectorView<int> Items() const; // 只读视图

• IDL/ABI 边界：

  • WinRT IDL 不存在 C++ 的 const 成员函数概念；只读通过 readonly 属性表达；
  • C++/WinRT 投影会将逻辑只读的成员生成为 const 成员函数，便于在 C++ 侧进行 const 校验与重载。

• 线程与 UI 亲和性：

  • const 不等于线程安全；WinUI 3 UI 类型需要在 UI 线程访问；
  • 即使成员函数是 const，若触及 UI 状态仍需切回 UI 线程（如 co_await winrt::resume_foreground(DispatcherQueue())）。

• Lambda 捕获与事件：

  • 在事件回调中优先捕获只读引用或值的只读视图，避免不必要拷贝与数据竞争；
  • auto const handler = [...] { ... }; 明确只读意图。

8) API 设计清单（结合 WinUI 3/C++/WinRT）

• 输入参数：
  • 文本：winrt::param::hstring（最灵活），或 winrt::hstring const&。
  • 缓冲：std::span<T const> 或 winrt::array_view<T const>。
  • 大对象：T const&；小标量按值。
• 返回值：
  • 值语义类型（如 hstring、智能句柄、WinRT 接口）按值返回；
  • 大型内部容器可返回只读视图接口或 std::span<T const>；
  • 避免 const T（值）返回类型。
• 成员函数：
  • 只读操作标记 const noexcept；
  • 提供成对的 const/非 const 访问器以区分读写；
  • 需要缓存时用 mutable 并保证线程安全。

9) 进阶示例

• 指针/引用 const 组合：

int x = 0;
int* const p1 = &x;      // 指针本身不可变
int const* p2 = &x;      // 指向只读 int
int const* const p3 = &x;// 指针与目标都只读

void foo(int const& r);
foo(x); // 通过只读引用传参

• 只读缓冲参数（WinRT/C++20）：

void Process(std::span<uint8_t const> bytes);
// 或 C++/WinRT 传统写法：
void Process(winrt::array_view<uint8_t const> bytes);

• 事件处理与绑定：

void MainWindow::OnSelectionChanged(
    winrt::Windows::Foundation::IInspectable const& sender,
    winrt::Microsoft::UI::Xaml::Controls::SelectionChangedEventArgs const& e)
{
    // 读取 e.AddedItems() 等，不修改 e 本身
}

• 可移动与 const：

std::vector<int> Build();              // 返回值可移动/优化
void Use(std::vector<int> v);          // 需要所有权时按值接受
void Read(std::vector<int> const& v);  // 只读访问

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结论：

• const 是类型系统的组成部分，既影响重载/推导，也影响接口设计与可读性；
• 它不改变对象布局或调用约定，但可能影响优化（启用只读路径、消除写屏障）；
• 在 C++/WinRT、WinUI 3 中，合理运用 const（只读 getter、参数视图、事件只读引用）可提升 API 清晰度与效率，同时要避免用 const 阻断必要的移动与可变操作。