是否应该扩展 const 功能？

Question

编辑：这个问题可能可以使用更合适的标题。请随意在评论中推荐一个。

在将 C++ 与大型类集一起使用时，我曾经遇到过这样一种情况：const 变得很麻烦，不是因为它的功能，而是因为它的定义非常简单。它对整数或字符串的适用性是显而易见的，但对于更复杂的类，通常有多个属性可以相互独立地修改。我想许多被迫学习 mutable 关键字的作用的人可能也有过类似的挫败感。

对我来说最明显的例子是矩阵类，代表 3D 变换。矩阵将表示平移和旋转，其中每一个都可以在不修改另一个的情况下进行更改。想象一下下面的类和函数，假设添加了“多属性常量”。

class Matrix {
     void translate(const Vector & translation) const("rotation");
     void rotate(const Quaternion & rotation) const("translation");
}

public void spin180(const("translation") & Matrix matrix);
public void moveToOrigin(const("rotation") & Matrix matrix);

或者想象一下预定义的 const 关键字，如“_comparable”，它允许您定义随意修改对象的函数，只要您保证不更改任何会影响对象排序顺序的内容，从而简化排序容器中对象的使用。

这种功能有哪些优点和缺点？您能想象它在您的代码中的实际用途吗？有没有一种好的方法可以使用当前的 const 关键字功能来实现这种功能？

请记住，

• 我知道这样的语言功能很容易被滥用。许多 C++ 语言功能也是如此，
• 例如 const 我希望这是一个严格的编译时功能。
• 如果你已经认为 const 是自切片泥以来最愚蠢的事情，我会认为你对此也有同样的感觉。无需发帖，谢谢。

编辑： 针对 SBK 关于会员加价的评论，我建议您不要有任何加价。对于标记为 const 的类/成员，它的工作方式与往常一样。对于任何标记为 const("foo") 的内容，除非另有标记，否则它将所有成员视为可变的，从而由类作者来确保其函数按照广告中的方式工作。此外，在内部表示为 2D 数组的矩阵中，您无法将各个字段标记为常量或非常量以进行平移或旋转，因为所有自由度都位于单个变量声明内。

Answer 1

Scott Meyers 正在研究一种可以通过任意约束（使用模板）扩展语言的系统。

所以你可以说一个函数/方法是经过验证的，线程安全的（等等或你喜欢的任何其他约束）。那么这样的受约束的函数只能调用其他至少有（或更多）约束的函数。 （例如，创建 ThreadSafe 的方法只能调用另一个标记为 ThreadSafe 的方法（除非编码器明确放弃该约束）。

这是文章：
http://www.artima.com/cppsource/codefeatures.html

很酷的概念我喜欢的是在编译时强制执行约束。

Answer 2

如果您的成员组要么是 const 在一起，要么是 mutable 在一起，那么通过将它们放在自己的类中来正式化不是很有意义吗？今天就可以在不改变语言的情况下做到这一点。

Answer 3

细化

当某个 ADT 在某些操作后与自身无法区分时，const 属性适用于整个 ADT。您希望定义部分常量。

在您的排序顺序示例中，您断言该运算符< ADT 的值在 ADT 上的某些其他操作下是不变的。您的临时常量名称（例如“旋转”）由 ADT 不变的操作集定义。我们可以不命名不变式，只列出 const() 内不变式的操作。由于重载函数需要用完整的声明来指定。

void set_color (Color c) const (operator<, std::string get_name());
void set_name  (std::string name) const (Color get_color());

因此，const 名称可以被视为一种形式主义 - 它们的存在或不存在不会改变系统的功能。但如果证明有用的话，“typedef”可以用来命名不变量列表。

typedef const(operator<, std::string get_name()) DontWorryOnlyNameChanged;

对于许多情况来说，很难想出好的名字。

有用性

const 中的值是编译器可以检查它的。这是一种不同类型的常量。

但我发现这一切有一个很大的缺陷。从你的矩阵示例中，我可能错误地推断旋转和平移是独立的，因此是可交换的。但存在明显的数据依赖性，并且矩阵乘法不可交换。有趣的是，这是一个例子，其中部分常量在重复应用其中一个而不是两者的情况下保持不变。 “translate”会惊讶地发现它的对象由于上次翻译后的旋转而被翻译了。也许我误解了旋转和平移的含义。但这就是问题所在，这种常量现在似乎可以解释。所以我们需要……击鼓……逻辑。

逻辑

看来您的建议类似于依赖类型。有了足够强大的类型系统，几乎任何事情都可以在编译时得到证明。您的兴趣在于定理证明者和类型论，而不是 C++。研究直觉逻辑、序列微积分、霍尔逻辑和 Coq。

现在我已经回到原点了。命名再次有意义，

int times_2(int n) const("divisible_by_3");

因为 divisible_by_3 实际上是一种类型。 这是 Qi 中的质数类型。欢迎来到兔子洞。我假装已经有所进展。这是什么地方？这里怎么没有钟？

Answer 4

这些高级概念对于程序员来说非常有用。

如果我想让 const 细粒度化，我会在结构上做到这一点：

struct C { int x; int y; };

C const<x> *c;
C const<x,y> *d;
C const& e;
C &f;

c=&e; // fail, c->y is mutable via c
d=&e;
c=&f;
d=c;

如果你允许我表达对最大 const 方法是首选的范围的偏好（如果我的 ref ，则正常重载会更喜欢非 const 方法） /pointer 是非 const），那么编译器或独立的静态分析可以为我推断出必须是 const 的成员集。

当然，除非您计划实现一个预处理器，该预处理器采用高级细粒度 const C++ 并将其转换为抛弃型 const C++，否则这一切都是没有意义的。我们甚至还没有 C++0x。

Answer 5

我认为您不能通过严格的编译时功能来实现这一点。

我想不出一个好的例子，所以这个严格的功能性例子必须要做：

struct Foo{
    int bar;
};

bool operator <(Foo l, Foo r){
    return (l.bar & 0xFF) < (r.bar & 0xFF);
}

现在我将一些 Foos 放入一个排序集中。显然，bar 的低 8 位必须保持不变，以便保留顺序。然而，高位可以自由更改。这意味着集合中的 Foos 不是 const，但也不是可变的。然而，我看不出有什么方法可以在不使用运行时检查的情况下以通用有用的形式描述这种常量级别。

如果您将我能想象到的要求形式化，您就可以证明不存在能够（在编译时）执行此操作的编译器。

Answer 6

这可能很有趣，但是 const 简单定义的有用功能之一是编译器可以检查它。如果您开始添加任意约束，例如“无法更改排序顺序”，则编译器现在无法检查它。此外，在一般情况下，由于暂停问题，任意约束的编译时检查问题是不可能解决的。我宁愿看到该功能仍然仅限于编译器实际可以检查的内容。

人们正在努力使编译器能够检查越来越多的东西——复杂的类型系统（包括依赖类型系统），以及诸如在 SPARKDa 中所做的工作，允许编译器辅助验证各种约束——但它们最终都达到了理论水平计算机科学的局限性。

Answer 7

我认为核心语言，尤其是 const 关键字，不适合这样做。 C++ 中 const 的概念旨在表达特定操作不会修改内存的特定区域的想法。这是一个非常低级的想法。

您所提议的是与程序的高级语义有关的逻辑常量。在我看来，主要问题是不同类和不同程序之间的语义差异很大，因此不可能有一种通用的语言结构。

需要发生的是，程序员需要能够编写编译器运行的验证代码，以检查特定操作是否符合他对语义（或“逻辑”）常量的定义。但仔细想想，这样的代码如果在编译时运行，则与单元测试没有太大区别。

您真正想要的是编译器测试函数是否遵守特定的语义契约。这就是单元测试的用途。因此，您要求的是有一种语言功能可以在编译步骤中自动为您运行单元测试。我认为考虑到系统需要多么复杂，这并不是很有用。