• C++ 中的 mutable 关键字


    C++ 中的 mutable 关键字

    来源 https://liam.page/2017/05/25/the-mutable-keyword-in-Cxx/

    参考 https://www.zhihu.com/question/64969053

    此篇介绍 C++ 中的 mutable 关键字。

    类中的 mutable

    mutable 从字面意思上来说,是「可变的」之意。

    若是要「顾名思义」,那么这个关键词的含义就有些意思了。显然,「可变的」只能用来形容变量,而不可能是「函数」或者「类」本身。然而,既然是「变量」,那么它本来就是可变的,也没有必要使用 mutable 来修饰。那么,mutable 就只能用来形容某种不变的东西了。

    C++ 中,不可变的变量,称之为常量,使用 const 来修饰。然而,若是 const mutable 联用,未免让人摸不着头脑——到底是可变还是不可变呢?

    事实上,mutable 是用来修饰一个 const 示例的部分可变的数据成员的。如果要说得更清晰一点,就是说 mutable 的出现,将 C++ 中的 const 的概念分成了两种。

    • 二进制层面的 const,也就是「绝对的」常量,在任何情况下都不可修改(除非用 const_cast)。
    • 引入 mutable 之后,C++ 可以有逻辑层面的 const,也就是对一个常量实例来说,从外部观察,它是常量而不可修改;但是内部可以有非常量的状态。

    当然,所谓的「逻辑 const」,在 C++ 标准中并没有这一称呼。这只是为了方便理解,而创造出来的名词。

    显而易见,mutable 只能用来修饰类的数据成员;而被 mutable 修饰的数据成员,可以在 const 成员函数中修改。

    这里举一个例子,展现这类情形。

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    class HashTable {
    public:
    //...
    std::string lookup(const std::string& key) const
    {
    if (key == last_key_) {
    return last_value_;
    }

    std::string value{this->lookupInternal(key)};

    last_key_ = key;
    last_value_ = value;

    return value;
    }

    private:
    mutable std::string last_key_
    mutable std::string last_value_;
    };
     

    这里,我们呈现了一个哈希表的部分实现。显然,对哈希表的查询操作,在逻辑上不应该修改哈希表本身。因此,HashTable::lookup 是一个 const 成员函数。在 HashTable::lookup 中,我们使用了 last_key_ 和 last_value_ 实现了一个简单的「缓存」逻辑。当传入的 key 与前次查询的 last_key_ 一致时,直接返回 last_value_;否则,则返回实际查询得到的 value 并更新 last_key_ 和 last_value_

    在这里,last_key_ 和 last_value_ 是 HashTable 的数据成员。按照一般的理解,const 成员函数是不允许修改数据成员的。但是,另一方面,last_key_ 和 last_value_ 从逻辑上说,修改它们的值,外部是无有感知的;因此也就不会破坏逻辑上的 const。为了解决这一矛盾,我们用 mutable 来修饰 last_key_ 和 last_value_,以便在 lookup 函数中更新缓存的键值。

    Lambda 表达式中的 mutable

    C++11 引入了 Lambda 表达式,程序员可以凭此创建匿名函数。在 Lambda 表达式的设计中,捕获变量有几种方式;其中按值捕获(Caputre by Value)的方式不允许程序员在 Lambda 函数的函数体中修改捕获的变量。而以 mutable 修饰 Lambda 函数,则可以打破这种限制。

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    int x{0};
    auto f1 = [=]() mutable {x = 42;}; // okay, 创建了一个函数类型的实例
    auto f2 = [=]() {x = 42;}; // error, 不允许修改按值捕获的外部变量的值
     

    需要注意的是,上述 f1 的函数体中,虽然我们给 x 做了赋值操作,但是这一操作仅只在函数内部生效——即,实际是给拷贝至函数内部的 x 进行赋值——而外部的 x 的值依旧是 0

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    const意思是“这个函数不修改对象内部状态”。

    为了保证这一点,编译器也会主动替你检查,确保你没有修改对象成员变量——否则内部状态就变了。

     

    mutable意思是“这个成员变量不算对象内部状态”。

    比如,你搞了个变量,用来统计某个对象的访问次数(比如供debug用)。它变成什么显然并不影响对象功用,但编译器并不知道:它仍然会阻止一个声明为const的函数修改这个变量。

    把这个计数变量声明为mutable,编译器就明白了:这个变量不算对象内部状态,修改它并不影响const语义,所以就不需要禁止const函数修改它了。


    《effective C++》条款03就有讲到:对于C++类的const成员函数,logical constness的观点允许修改它所处理的对象内的某些bits,但是bitwise const的观点是不能改变对象内的任何一个bit。
    写一个const成员函数,你想在函数内部给对象成员重新赋值,但是编译器坚持一个bit都不让改动,这个时候就加mutable解除限制。
     

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