Штерн В. - Основы C++. Методы программной инженерии - 2003

Еще о ключевом слове const

Данный раздел очень важен. В нем анализируется разный смысл ключевого слова const и показывается, как использовать его для решений одной из наиболее важных задач создания ПО — передачи идей разработчике о свойствах програм­ мных компонентов, чтобы их можно было использовать при сопровождении программы. Неудачное ее решение — один из простейших (и самых распростра­ ненных) способов внести йклад в кризис ПО.

Как указывалось ранее (в главах 4 и 7), ключевое слово const может иметь в языке C++ разный смысл. Он зависит от контекста. Когда это ключевое слово предшествует имени типа переменной, оно указывает, что значение переменной остается постоянным. Переменная должна инициализироваться в определении, и любая попытка присвоить ей другое (или даже то же самое) значение будет по­ мечена как синтаксическая ошибка.

Когда указатель ссылается на "постоянную переменную" (невольный каламбур — она называется переменной, хотя на самом деле не изменяется), его нужно поме­ тить как указатель на константу, для чего используется ключевое слово const, предшествуюш,ее имени типа. После этого любые попытки разыменования ука­ зателя как 1-значения будут давать синтаксическую ошибку.

Когда ссылка указывает на переменную const, ее нужно пометить как ссылку на константу. Для этого перед именем типа указывается ключевое слово const, после чего любая попытка использовать ссылку как 1-значение считается синтак­ сической ошибкой.

Когда ключевое слово const следует за операцией указателя, это означает, что указатель имеет тип const. Такой указатель должен все время ссылаться на одно и то же место, его нельзя переназначить на другой адрес памяти. Однако нет ника­ кой гарантии, что не будет изменяться само значение по указателю.

В специальной записи, показываюш.ей, что ссылка представляет константу, нет необходимости. В C++ ссылки являются константами по умолчанию. Их нельзя переустановить на другой адрес памяти. Как и в случае указателей, само расположенное по ссылке значение может изменяться:

Применение ключевого слова const в интерфейсах функций аналогично его использованию со значениями иуказателями. Оно утверждает, что данный фак­ тический аргумент (или указатель) в результате вызова не изменяется.

Применение объектов const в интерфейсах функции может затруднить для функции возврат указателя или ссылки на переданный в параметре объект. Если разрешить это, то клиент мог бы изменять данный объект через псевдонимы (подобно примерам, уже обсуждавшимся в этой главе выше).

Если вы пропустили данный раздел, то позвольте напомнить,что то же самое делают три функции: closestPointValO, closestPointPtr() и closestPointRef(). Каждая из них сравнивает расстояние между целевым объектом и началом коор­ динат, между объектом, переданным в параметре, и начальной точкой. Если це­ левой объект ближе к началу координат, то каждая функция возвраш,ает целевой объект. Если ближе объект-параметр, то каждая функция возвраидает объектпараметр. Разница в том, что closestPointValO возвраидаетсам объект, closestPointPtrO возвраш^ает указатель на объект, а closestPointRefO — ссылку на объект. В разделе, посвяш,енном возврату объектов в клиенте, для параметра функции не использовалось ключевое слово const. В следуюидем примере оно добавлено.

Функция ClosestPointValO возвраш.ает либо целевой объект, либо объектпараметр,но влюбом случае это копия объекта Point. Следовательно, ключевое

слово const для параметра функции не ограничивает ее использование. Если

клиент изменяет возвраш.енный объект, это изменение копии фактического аргу­

мента, а необъекта,который должен оставаться неизмененным.

Point р1,р2;

р1.setPoint(20,40); р2.setPoint(30,50);

// устанавливает значения полей Point

Функция closestPointPtrO способна возвращать указатель на свой аргумент Point. Этот указатель может затем использоваться клиентом для изменения состо­ яния объекта-аргумента. Аналогично функция closestPointRef () может возвра­ щать ссылку на свой аргумент Point. Данную ссылку разрешается использовать для изменения состояния объекта-аргумента.

В данном примере объект р2 реально не изменяется, так как все три функции возвращают объект р1, который ближе к точке начала координат, чем р2. Даже если объект р2 модифицируется, то это происходит вне функций closestPointRef () и ClosestPointPtrO! Тем не менее C4--I- не допускает такое использование объек­ тов-констант. Компилятору очень трудно выявить подобные нарушения при анали­ зе кода клиента (да и человеку — тоже), поэтому он объявляет обе функции ошибочными.

Формальная причина состоит в том, что объект-параметр (например, в функ­ ции closestPointPt г()) имеет ключевое слово const, а возвращаемый тип — нет.

C-f-+ предлагает три способа выхода из данной ситуации. Один из них — иск­ лючить ключевое слово const из интерфейса функции. Второй способ избежать синтаксической ошибки состоит в применении операции const_cast, подавляю­ щей свойство const в функциях-членах. Третий способ — использовать ключевое слово const двумя другими способами.

Исключение ключевого слова const из интерфейса функции — это для мало­ душных. Настоящий разработчик никогда не откажется от возможности сообщить программисту, занимающемуся кодом клиента или сопровождением программы, что он имел в виду при создании класса. Данная функция не изменяет свой объект-параметр, следовательно, здесь должно быть ключевое слово const.

Второй метод сложнее. Операция const_cast преобразует свой аргумент-кон­ станту в тот же тип, снимая защиту от изменений. Тип задается в угловых скобках между операцией const_cast и аргументом. Например выражение, записанное таким образом: const_cast<THn_3Ha4eHHfl>(значение-константа), приводит аргумент "значение-константа" типа "тип_значения" к тому же типу "тип_значения", но

Естественно, указатель или ссылка на объект-константу не могут изменяться при вызове таких функций, как setPointO, ведь setPointO изменяет состояние объекта по указателю или ссылке. Но что плохого в вызове такой невинной функции, как getXO? Она же не изменяет состояния объекта по указателю или ссылке?

Это снова возвращает нас к фундаментальному идеологическому вопросу, обсуждаемому в главе 7 при описании параметров функции. Откуда мы знаем, изменяет функция параметр или нет? Мы не хотим исследовать для этого тело функции, а хотим взглянуть просто на ее заголовок. Если в заголовке говорится, что параметр есть константа, то понятно, что он не изменяется. Если же в заго­ ловке это не сказано, можно считать, что он изменятся, независимо от того, что делает функция.

Компилятор С+Ч- следует той же логике. Он достаточно интеллектуален, чтобы найти ключевое слово const в заголовке и пометить изменения параметра как синтаксическую ошибку. Но он не настолько умен, чтобы анализировать исходный код функции и приходить к независимому заключению об изменениях параметров. Предполагается, что если ключевое слово const отсутствует, то параметры изменяются.

Теперь вернемся к двум функциям setPointO и getX(). Откуда известно, что первая изменяет объект, а вторая — нет? Достаточно взглянуть на программу и заголовок. Это очевидно, не так ли? Но не для компилятора С-+-+. Он помечает вызов setPointO как ошибочный не потому, что знает об изменении объекта в данной функции, а потому, что не видит свидетельства обратного. Для компиля­ тора функция getXO ничем не лучше setPointO. Если ничто не указывает, что getXO оставляет объект без изменений, то компилятор приходит к выводу, что getXO изменяет состояние объекта.

Вот здесь-то в C++ используется четвертый смысл ключевого слова const. Это ключевое слово включается между закрываюндей круглой скобкой списка па­ раметров и открываюндей фигурной скобкой тела функции. В прототипе функции оно вставляется между закрываюидей круглой скобкой и точкой с запятой. Здесь класс Point явно указывает, что его функции-члены делают:

1) с параметрами функции;

2) с возвраш^аемыми функцией значениями;

3) с элементами данных целевого объекта:

Действительно красиво, правда? Обсу>вдение было достаточно запутанным, но ключевое слово const имеет в C++ различные смыслы, с этим ничего не поде­ лаешь. По крайней мере еще один будет обсуждаться в следующем разделе. Так что данное ключевое слово нужно принимать всерьез. При написании серверной части это ваш основной инструмент для передачи своих идей другим людям, а при чтении программы — важное средство, помогающее понять намерения разра­ ботчика. Используйте ключевое слово const там, где это возможно. Если вы не сообщите о своих замыслах (в плане операций функций-членов) программисту, занимающемуся клиентской частью или сопровождением приложения, это будет серьезной ошибкой.

щ 386 I Часть И • Объектио-орыештрошаииое программирование на С-^-^

С о в е т у е м применяйте ключевое слово const для значения (или указателя),

не модифицируемого после инициализации. Используйте его, когда нужно сообщить, что параметр функции (или указатель) не изменяется при выполнении функции, когда возвращаемое функцией значение (указатель или ссылка) не изменяются в клиенте, когда функция-член при передаче сообщения не изменяет состояния целевого объекта. При изучении исходного кода C++ также анализируйте применение

ключевого слова const. Не спешите делать выводы, кажущиеся очевидными.

Итак, нужно обращать на ключевое слово const самое пристальное внимание. Это один из моментов, с которого начинается программирование на C+ + .

Статические компоненты класса

в данном разделе обобщается понятие элементов данных класса. Концептуаль­ но класс представляет собой план объекта. Спецификация класса описывает, что включает в себя каждый объект класса: данные и функции.

При создании экземпляра объекта класса для него формируется отдельный на­ бор элементов данных. Это происходит независимо от того, как создается объект: через определение объекта как локальной или глобальной именованной перемен­ ной, с помощью операции new или неименованной динамической переменной, посредством передачи объекта по значению в параметре функции или возврата объекта по значению из функции. Каждый экземпляр объекта имеет собственный набор значений элементов данных: private, public или protected.

Ме>1^тем, нет никакой необходимости создавать для каждого объекта отдель­ ный набор функций-членов. Для каждой функции объектный код генерируется только один раз. Кроме параметров, предусмотренных программистом, каждая функция-член имеет неявный параметр — указатель на целевой объект. Когда в ее вызове в качестве цели указывается конкретный объект, функции передается указатель this на целевой объект. В результате она работает с элементами данных целевого объекта.

Применение глобальных переменных как характеристик класса

Иногда логичнее и эффективнее с точки зрения использования памяти реали­ зовать для всех объектов класса одну обшую копию элементов данных, а не под­ держивать для каждого объекта индивидуальные копии.

Например, приложению может потребоваться счетчик экземпляров класса. Рассмотрим класс Point, содержащий элемент данных count. Логически этот элемент данных принадлежит к классу точно так же, как и любые другие.

class Point {

С практической точки зрения здесь есть ряд проблем. Нужен только один счет­ чик точек. Если приложение создает тысячи объектов Point, нет смысла тысяче­ кратно дублировать поля count и поддерживать в каждом поле одно и то же значение. Кроме того, как поддерживать такой счетчик count? Его следует увели­ чивать при каждом создании нового объекта Point. Хорошее место для этого — конструктор Point. Аналогично деструктор будет хорошим местом для уменьшения счетчика count.

Здесь элемент данных count — это единое совместно используемое значение, доступное для всех экземпляров объекта Point. Этот элемент данных находится в той же области действия, где и определение класса, и доступен в ней.

Инициализация статических элементов данных

Подобно глобальным переменным, не являющимся элементами данных, стати­ ческие элементы данных инициализируются вне спецификации класса. В отличие от глобальной переменной count, статический элемент данных count является компонентом класса и должен инициализироваться явным образом. Для элемен­ тов данных (статических или нет) неявной инициализации не предусмотрено. Чтобы использовать имя любого компонента класса вне его фигурных скобок, нужно применять операцию области действия класса, показывающую, к какому классу относятся эти данные.

Выше уже говорилось о различии между присваиванием и инициализацией в С4-+. Часто операция присваивания может обозначать или присваивание, или инициализацию. Инициализация распознается по наличию рядом с именем пере­ менной имени типа. Здесь разница между инициализацией и присваиванием очень важна. Инициализация вполне законна и имеет один и тот же синтаксис для общедоступных и не общедоступных статических элементов данных класса. Для статических элементов данных, не являющихся общедоступными, присваивание незаконно.

Point::count = 0; / / присваивание (незаконно для закрытых данных 'count')

Для статическихэлементов данных допускается только один оператор инициа­ лизации. Следовательно, этот оператор нужно помещать в файл реализации . срр вместе с определениями функций-членов, но не в заголовочный файл класса.

Доступ к статическим элементам данных идентичен доступу к нестатическим элементам данных. Функции, не являющиеся членами класса (например, функция quantityO), не могут обращаться к закрытым статическим элементам данных непосредственно. Чтобы избежать этой проблемы, можно оформить функцию quantityO как член класса:

Обратите внимание, что предыдущая (глобальная) версия quantityOne имела модификатора const. Лишь функция-член может обещать не изменять элементы данных своего целевого объекта. Глобальные функции целевого объекта не имеют.