面试题：C++常对象与成员函数的深层交互

Question

假设有一个类A，其中有多个成员函数，包括普通成员函数、常成员函数以及静态成员函数。现在定义了一个常对象a，从内存布局和函数调用机制的角度，分析a调用不同类型成员函数的过程和区别。同时，若成员函数内部涉及对成员变量的操作，在常对象调用时会有哪些限制？请结合代码详细阐述。

Answer 1

1. 内存布局：

   • 普通对象在内存中包含成员变量，每个对象的成员变量有自己的存储空间。对于类A的对象，其成员变量占据一定的内存空间。
   • 常对象（如const A a;）同样包含成员变量，不过这些成员变量在对象生命周期内不可修改（除非成员变量被声明为mutable）。
   • 类的成员函数（包括普通、常和静态）并不存储在对象的内存空间中，而是存储在代码段，所有对象共享这些函数代码。静态成员变量存储在全局数据区。

2. 函数调用机制及区别：

   • 普通成员函数：
     • 普通对象可以调用普通成员函数。普通成员函数可以修改对象的成员变量。
     • 常对象不能调用普通成员函数，因为普通成员函数可能会修改对象的状态，这与常对象不可变的特性冲突。
     • 例如：

class A {
private:
    int data;
public:
    A(int value) : data(value) {}
    void normalFunction() {
        data++;
    }
};
int main() {
    A obj(10);
    obj.normalFunction();// 普通对象可以调用
    const A a(20);
    // a.normalFunction(); // 错误，常对象不能调用普通成员函数
    return 0;
}

• 常成员函数：
  • 普通对象和常对象都可以调用常成员函数。常成员函数不能修改对象的成员变量（除非成员变量被声明为mutable），这是为了保证常对象的状态不变。
  • 在常成员函数内部，this指针是一个指向const A的指针，限制了对成员变量的修改。
  • 例如：

class A {
private:
    int data;
public:
    A(int value) : data(value) {}
    void normalFunction() {
        data++;
    }
    void constFunction() const {
        // data++; // 错误，不能在常成员函数中修改非mutable成员变量
    }
};
int main() {
    A obj(10);
    obj.constFunction();
    const A a(20);
    a.constFunction();
    return 0;
}

• 静态成员函数：
  • 静态成员函数不属于任何一个对象，普通对象和常对象都可以调用静态成员函数，也可以通过类名直接调用（如A::staticFunction()）。
  • 静态成员函数没有this指针，因为它不依赖于任何特定对象，所以不能直接访问非静态成员变量。它只能访问静态成员变量和其他静态成员函数。
  • 例如：

class A {
private:
    static int staticData;
    int data;
public:
    A(int value) : data(value) {}
    static void staticFunction() {
        staticData++;
        // data++; // 错误，不能在静态成员函数中访问非静态成员变量
    }
};
int A::staticData = 0;
int main() {
    A obj(10);
    obj.staticFunction();
    const A a(20);
    a.staticFunction();
    A::staticFunction();
    return 0;
}

3. 常对象调用成员函数时对成员变量操作的限制：
   • 常对象调用普通成员函数会导致编译错误，因为普通成员函数可能修改对象状态。
   • 常对象调用常成员函数时，不能修改非mutable成员变量。mutable关键字修饰的成员变量可以在常成员函数中被修改。
   • 静态成员函数由于不依赖于对象状态，常对象调用时对成员变量（这里指静态成员变量）的操作没有特殊限制，只要符合静态成员函数本身对成员变量访问的规则（即只能访问静态成员变量）即可。