关于 const 的一个思考

我在编写代码的过程中曾经注意到 const 成员函数、const 参数函数，它们于非 const 重载版本可以拥有类似但是不同的语义（使用不用的函数定义），产生不同的效果（const 与否都可以带来额外性能的提高， 并没有优劣之分 ）。const 是由 Bjarne Stroustrup 在 C++ 早期设计引入的：K&R C 中并没有 const 的概念，而 Bjarne 发现缺少 const 会存在一个实现缺陷以及二个语义缺陷。

1. const 内容可以放到只读储存区，对于某些硬件来说可写储存区会非常昂贵
2. 使用 const 传递参数可表达一种不变的概念，防止对变量进行意外的更改
3. 使用 const 可表达常量，用于常量表达式

ANSI C 相比 K&R C 采纳了前两点，但是 ANSI C 中 const 仍然不能表示常量，K&R C 和 ANSI C 必须用字面值来表示常量。

Bjarne 设计 const 的目的大致就是为了解决如上问题 ¹ 。

此外，对于第二点修复，const 实际带来了更复杂的特性：

string operator+(const string& a, const string &b)
{
    string res;
    /* */
    return res;
}

考虑如上的 string 拼接定义，由于参数为两个 const string，所以函数必须构造一个新的 string 用于容纳拼接后的字符串，这在一些情况下会导致性能低下：

string a, b, c;
/* */
string d = a + b + c;

实际上该操作产生了至少一个额外的 string 对象：(a + b) （由于 C++ 规定 + 是右结合），并且永远不能被优化。

基于此，实际上可以写出另一种函数：

string& operator+(string& a, const string &b)
{
    /* */
    return a;
}

这种函数会在左侧对象上应用拼接，返回值也是左侧对象的引用，因而每次拼接操作都会应用到最左侧对象，a + b + c 相当于展开为逗号运算：a + b, a + c。

不过由此产生了 operator+ 的重载选择问题：对于两个非 const 的 a 和 b 应用 operator+，默认会选择非 const 的版本，因为非 const 版本更精准。

此时如果想要匹配 const 版本，需要使用 const_cast：

foo d = const_cast<const foo&>(a) + b + c;

这里有个小细节：虽然只给 a 加上了 const 限定，但是却使用了两次 const 版本的 +，是因为右值无法绑定到左值引用。

还可以使用一个 const 辅助模板用于简化 const_cast：

template<typename T>
auto use_const(T& t) { // 注意，标准库中有 add_const 模板，但不能用于此
    return const_cast<const T&>(t);
}

其实读到这里读者就会发现，非 const 版本的 operator+，实际上和 operator+= 的实现非常类似，不过 += 也不尽全是优点：a += b += c 这样的代码可能并不如 a + b + c 清晰，不过 += 能解决重载匹配问题。

实际上我以前还发现过 C++ 标准库容器中使用 const 作为参数，省略掉一次复制构造带来效率提高的例子，不过时间久远遗忘了细节（作为使用 const 优化效率的正面例子）。