Course: 斯坦福大学: C++标准库编程 | C++ Standard Library Programming

🎮 CS106L Lecture 5.1 — Classes and Const Correctness

🏛 课程：Stanford CS106L — Standard C++ Programming Language

📍 主题：类与 const 正确性（Classes & Const Correctness）

🎯 目标：理解类的封装机制与 const 修饰符的真正含义，学会编写类型安全且可维护的面向对象代码。

🧭 课程定位

在 STL 模块中，我们通过泛型算法实现了“函数式抽象”。

从这一讲开始，我们进入 类与对象的世界（OOP 抽象），

即：如何用类型表达思想。

“函数抽象行为，类抽象存在。”

本讲的关键思想是：

💡 “正确使用 const，让代码更安全、更语义化。”

🏷 关键词速记

Class｜类

Object｜对象

Encapsulation｜封装

Const Correctness｜常量正确性

Immutable Object｜不可变对象

Const Method｜常量成员函数

Const Iterator｜常量迭代器

RAII｜资源自动管理

🎮 30 秒课程摘要

“const 是 C++ 的契约系统。

它告诉编译器——这里的数据不会被改动，

也告诉团队——你可以信任这段代码。”

📚 核心内容讲解

🧩 1️⃣ 类（Class）回顾与结构

C++ 的类（class）是封装数据与函数的抽象体。

📦 示例 1：类的基本形式

// Student.h
class Student {
public:
    Student(std::string name, int id);
    void print() const;   // const 方法
private:
    std::string name_;
    int id_;
};

// Student.cpp
#include "Student.h"
#include <iostream>

Student::Student(std::string name, int id)
    : name_(name), id_(id) {}

void Student::print() const {
    std::cout << name_ << " (" << id_ << ")\n";
}

🧩 讲解：

• 类的声明放在 .h，实现放在 .cpp。
• 构造函数使用初始化列表（Initializer List）。
• print() 后的 const 表示：该成员函数不会修改对象状态。

🧩 2️⃣ const 的四种语义场景

📦 示例 2：四种 const 语义

int a = 5;
const int* p1 = &a;   // *p1 只读
int* const p2 = &a;   // p2 不可变
const int* const p3 = &a; // 双重保护

🧠 口诀：

“const 贴谁，谁不变。”

即：

• const int* → 指向的内容不变
• int* const → 指针自身不变

🧩 3️⃣ 成员函数的 const 正确性

成员函数可以被声明为 const，

表示它不会修改类的状态。

📦 示例 3：const 成员函数

class Circle {
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double getArea() const {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
private:
    double radius;
};

📦 错误示例：

double getArea() const {
    radius = 0;  // ❌ error: assignment of member in const function
}

🧩 编译器行为：

编译器在 const 成员函数中将 this 指针视为：

const Circle* const this;

→ 即函数体中无法修改成员变量。

🧩 4️⃣ const 对象与成员函数的绑定规则

📦 示例 4：const 对象调用规则

const Circle c1(5);
c1.getArea();     // ✅ const 函数可用
c1.setRadius(10); // ❌ 非 const 函数禁止

🧠 记忆口诀：

“const 对象，只信 const 方法。”

🧩 5️⃣ 可变成员变量 mutable

有时需要在 const 方法中修改某些状态（如缓存、计数器）。

此时可以用 mutable 修饰。

📦 示例 5：mutable 用法

class Cache {
public:
    double get() const {
        ++accessCount; // ✅ allowed due to mutable
        return data;
    }
private:
    double data = 3.14;
    mutable int accessCount = 0;
};

🧩 应用场景：

• 缓存（lazy evaluation）
• 调试或统计访问次数

🧩 6️⃣ const 与迭代器

C++ 容器提供两种迭代器：

📦 示例 6：使用 const_iterator

std::vector<int> v = {1, 2, 3};
for (std::vector<int>::const_iterator it = v.begin(); it != v.end(); ++it)
    std::cout << *it << " ";

📤 输出：1 2 3

📦 错误示例：

*it = 5; // ❌ 不能修改 const_iterator

🧠 实用建议：

• 函数参数若不修改容器 → 使用 const std::vector<T>&
• 遍历时若不修改元素 → 使用 const_iterator

🧩 7️⃣ const 参数与返回值

📦 示例 7：函数签名中的 const

void print(const std::vector<int>& v) {
    for (auto& x : v) std::cout << x << " ";
}

const std::string getName() const; // 不推荐：返回值拷贝时 const 无意义

🧩 规则总结：

• 参数：使用 const & 避免拷贝且保证只读
• 返回值：若按值返回，const 多余；若返回引用，const 可防止修改原对象

🧩 8️⃣ const_cast — “黑魔法”

const_cast 可移除 const 限制，但风险极高。

📦 示例 8：const_cast

void foo(const int* p) {
    int* q = const_cast<int*>(p);
    *q = 99; // ⚠️ 未定义行为
}

🧩 用法建议：

• 仅在必须与旧 API（如 C 函数）交互时使用
• 在现代 C++ 中应尽量避免

🧠 口诀：

“const_cast 是炸药，用错就爆炸。”

🧩 9️⃣ RAII 与 const 的结合

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）保证资源的自动释放，

与 const 一起可形成安全的不变式。

📦 示例 9：RAII + const

class FileGuard {
public:
    FileGuard(const std::string& path)
        : file(fopen(path.c_str(), "r")) {}
    ~FileGuard() { if (file) fclose(file); }
    FILE* get() const { return file; }
private:
    FILE* file;
};

🧩 讲解：

• 构造即获取资源
• 析构即释放
• get() 为 const，保证访问安全

🧠 记忆口诀

“const 定界线，改动受约束；

mutable 留活口，安全有章数。”

🧪 对照实验区

✅ 实验 1：const 成员函数防止意外修改

class A {
public:
    int get() const { return x; }
    void set(int val) { x = val; }
private:
    int x = 10;
};

const A a;
a.get();   // ✅ OK
a.set(5);  // ❌ error

✅ 实验 2：mutable 的例外机制

class B {
public:
    void access() const { ++count; }
    int getCount() const { return count; }
private:
    mutable int count = 0;
};
B b;
b.access();
std::cout << b.getCount(); // 输出 1 ✅

🪄 工程与设计建议

• 在类中标记所有不会修改状态的函数为 const。
• 优先使用 const & 参数传递，避免拷贝与副作用。
• 对内部计数器或缓存使用 mutable，谨慎设计不变式。
• 使用 const_iterator 表明“只读遍历”意图。
• 禁止滥用 const_cast，若必须使用，应隔离在单独函数中。
• RAII + const 是现代 C++ 内存安全的基础。

✅ 小结表

“C++ 的 const 不只是修饰符，而是契约、文档与编译期安全保障。”

是否希望我继续整理下一讲

👉 Lecture 5.2 — Class Templates & Type Traits

（类模板、偏特化、enable_if、type traits、模板元编程基础）

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