面试题：C++类中const成员函数和const对象

Question

在C++类中，const成员函数和const对象之间有什么联系和限制？为什么有些成员函数需要声明为const？如果一个类中有mutable成员变量，在const成员函数中对其进行修改是否合法？请结合代码示例详细阐述。

Answer 1

1. const成员函数和const对象之间的联系和限制

• 联系：const对象只能调用const成员函数。这是因为非const成员函数可能会修改对象的状态，而const对象的状态是不允许被修改的，所以编译器只允许const对象调用不会修改对象状态的const成员函数。
• 限制：
  • 非const对象既可以调用const成员函数，也可以调用非const成员函数。
  • const成员函数不能修改对象的非mutable数据成员（除非这些数据成员被声明为mutable），因为其设计初衷就是保证在调用函数时对象状态不被改变。

2. 为什么有些成员函数需要声明为const

• 表明函数不会修改对象状态：这样可以让代码的意图更清晰，调用者可以明确知道调用该函数不会改变对象的内部数据。例如，访问器（getter）函数通常会声明为const，因为它们只是返回对象的某些属性值，而不应该修改对象。
• 提高函数的可复用性：一个声明为const的成员函数既可以被const对象调用，也可以被非const对象调用。如果没有声明为const，就只能被非const对象调用，限制了函数的使用场景。

3. mutable成员变量在const成员函数中的修改合法性

在C++中，mutable关键字修饰的成员变量可以在const成员函数中被修改。这是因为mutable变量的设计目的就是为了允许在const成员函数中改变其值，用于一些与对象逻辑状态无关的变量，比如用于记录函数调用次数等辅助信息。

代码示例

#include <iostream>

class MyClass {
private:
    int data;
    mutable int callCount;

public:
    MyClass(int value) : data(value), callCount(0) {}

    // const成员函数，不能修改非mutable成员变量
    int getData() const {
        callCount++;
        return data;
    }

    // 非const成员函数，可以修改成员变量
    void setData(int value) {
        data = value;
        callCount++;
    }
};

int main() {
    MyClass obj(10);
    const MyClass constObj(20);

    std::cout << "Non - const object getData: " << obj.getData() << std::endl;
    std::cout << "Non - const object callCount: " << obj.callCount << std::endl;

    std::cout << "Const object getData: " << constObj.getData() << std::endl;
    std::cout << "Const object callCount: " << constObj.callCount << std::endl;

    // 下面这行代码会报错，因为constObj是const对象，不能调用非const成员函数
    // constObj.setData(30);

    obj.setData(30);
    std::cout << "After setData, Non - const object getData: " << obj.getData() << std::endl;
    std::cout << "After setData, Non - const object callCount: " << obj.callCount << std::endl;

    return 0;
}

在上述代码中，MyClass类有一个data成员变量和一个mutable修饰的callCount成员变量。getData函数是一个const成员函数，它可以读取data，同时也能修改callCount。setData是非const成员函数，可以修改data和callCount。通过constObj和obj的调用示例，展示了const对象对函数调用的限制以及mutable变量在const成员函数中的使用。