C++ mutable与常对象语义详解

摘编自 《Effective C++》 条款三。

“成员函数如果是const” 或者 “一个对象是const对象”到底意味什么？有两个流行概念:bitwise constness（又称physical constness）和 logical constness。

bitwise constness

bitwise const 阵营的人相信,成员函数只有在不更改对象之任何成员变量( static 除外)时才可以说是const。也就是说它不更改对象内的任何一个 bit。这种论点的好处是很容易侦测违反点: 编译器只需寻找成员变量的赋值动作即可。bitwise constness 正是C++对常量性( constness ）的原始定义，因此const成员函数不可以更改对象内任何 non-static 成员变量。

不幸的是许多成员函数虽然不十足具备 const 性质却能通过 bitwise 测试。更具体地说，-一个更改了“指针所指物”的成员函数虽然不能算是 const，但如果只有指针（而非其所指物）隶属于对象，那么称此函数为 bitwise const 不会引发编译器异议。这导致反直观结果。假设我们有一个 CTextBlock class，用来封装C风格字符串，它将数据存储为 char* 而不是 string：

class CTextBlock {
public:
    ...
    char& operator[](std: :size_t position) const
    { return pText [position]; }

private:
    char* pText;
};

这个 class 不适当地将其 operator[] 声明为const成员函数，而该函数却返回一个reference指向对象内部值。假设暂时不管这个事实，请注意，operator[] 实现代码并不更改pText。于是编译器很开心地为operator[]产出目标码。它是 bitwise const，所有编译器都这么认定。但是看看它允许发生什么事:

const CTextBlock cctb ( "Hello");1/声明一个常量对象。char* pe = &cctb[0];
//调用const operator[]取得一个指针，//指向cctb的数据。
*pc = 'J';
// cctb现在有了"Jello”这样的内容。

这其中当然不该有任何错误:你创建一个常量对象并设以某值，而且只对它调用const成员函数。但你终究还是改变了它的值。这样一来，bitwise const 好像就失去了意义。

这种情况导出所谓的 logical constness。这一派拥护者主张，一个const成员函数可以修改它所处理的对象内的某些bits，但只有在客户端侦测不出的情况下才得如此。例如你的CTextBlock class有可能高速缓存(cache）文本区块的长度以便应付询问:

logical constness

这种情况导出所谓的 logical constness。这一派拥护者主张，一个const成员函数可以修改它所处理的对象内的某些bits，但只有在客户端侦测不出的情况下才得如此。例如你的CTextBlock class需要回答字符串长度，当然不可能现数，要添加一个变量缓存当前长度。

class CTextB1ock {
public:
    ...
    std::size_t length() const {
        if (!lengthIsvalid){
            textLength = std::strlen (pText); //错误!在const成员函数内能赋值给textLength
            lengthIsvalid = true; //也不能赋值给lengthIsValid。
        }
        return textLength;
    }
private:
    char* pText;
    std::size_t textLength; //最近一次计算的文本区块长度。
    bool lengthIsvalid; //目前的长度是否有效。
};

length 的实现当然不是 bitwise const，因为textLength和 lengthIsValid都可能被修改。这两笔数据被修改对const CTextBlock对象而言虽然可接受，但编译器不同意。它们坚持bitwise constness。怎么办?

mutable

解决办法很简单:利用C++的一个与const语义相反的词语:mutable(可变的)。mutable释放掉n成员变量的bitwise constness 约束:

...
private:
    char* pText;
    mutable std::size_t textLength; //最近一次计算的文本区块长度。
    mutable bool lengthIsvalid; //目前的长度是否有效。
};

从 “bitness” 来看，这个 const 函数不再是“常函数”了。但是从 “logical” 来看，我们觉得length显然没有修改字符串，那两个mutable变量只是辅助而已，修改他们不算破坏规则。

所以，有了 mutable，我们就可以定制自己的 “logical constness”，可以写明白在一个常量或者常函数里，哪些是可以改的，哪些是不能改的。