声明 C++ 不可变类的惯用方式

Question

所以我有一些相当广泛的功能代码，其中主要数据类型是不可变的结构/类。我一直在声明不变性的方式是通过将成员变量和任何方法设为 const 来“实际上是不可变的”。

struct RockSolid {
   const float x;
   const float y;
   float MakeHarderConcrete() const { return x + y; }
}

这实际上是 C++ 中“我们应该这样做”的方式吗？还是有更好的办法？

Answer 1

我假设您的目标是真正的不变性——每个对象在构造时都不能被修改。您不能将一个对象分配给另一个对象。

您设计的最大缺点是它与移动语义不兼容，这会使返回此类对象的函数更加实用。

举个例子：

struct RockSolidLayers {
  const std::vector<RockSolid> layers;
};

我们可以创建其中之一，但如果我们有创建它的函数：

RockSolidLayers make_layers();

它必须（逻辑上）将其内容复制到返回值，或者使用return {} 语法直接构造它。在外面，你要么必须做：

RockSolidLayers&& layers = make_layers();

或再次（逻辑上）复制构造。无法移动构造会妨碍许多简单的方法来获得最佳代码。

现在，这两个复制构造都被省略了，但更一般的情况是——您不能将数据从一个命名对象移动到另一个，因为 C++ 没有“销毁和move" 操作，既可以将变量带出范围，也可以使用它来构造其他内容。

而在销毁之前 C++ 会隐式移动您的对象（例如 return local_variable;）的情况会被您的 const 数据成员阻止。

在围绕不可变数据设计的语言中，它会知道它可以“移动”您的数据，尽管其（逻辑）不可变。

解决此问题的一种方法是使用堆，并将数据存储在std::shared_ptr<const Foo> 中。现在constness 不在成员数据中，而是在变量中。您还可以只为返回上述shared_ptr<const Foo> 的每种类型公开工厂函数，从而阻止其他构造。

此类对象可以组合，Bar 存储 std::shared_ptr<const Foo> 成员。

返回std::shared_ptr<const X> 的函数可以有效地移动数据，而局部变量可以在完成后将其状态转移到另一个函数中，而不会弄乱“真实”数据。

对于一项相关技术，在约束较少的 C++ 中采用这种shared_ptr<const X> 并将它们存储在假装它们不是不可变的包装类型中是惯用的。当您执行变异操作时，shared_ptr<const X> 被克隆和修改，然后存储。优化“知道”shared_ptr<const X>“真的”是shared_ptr<X>（注意：确保工厂函数将shared_ptr<X> 转换为shared_ptr<const X>，否则这实际上不是真的），并且当use_count() is 1 而是丢弃const 并直接修改它。这是一种被称为“写时复制”的技术的实现。

现在随着 C++ 的发展，省略的机会越来越多。甚至 C++23 也会有更高级的省略。省略是指数据没有在逻辑上移动或复制，而只是有两个不同的名称，一个在函数内部，一个在函数外部。

依赖它仍然很尴尬。

Answer 2

您提出的方式非常好，除非在您的代码中您需要对 RockSolid 变量进行赋值，如下所示：

RockSolid a(0,1);
RockSolid b(0,1);
a = b;

这不起作用，因为复制赋值运算符会被编译器删除。

因此，另一种选择是将结构重写为具有私有数据成员的类，并且只有公共 const 函数。

class RockSolid {
  private:
    float x;
    float y;

  public:
    RockSolid(float _x, float _y) : x(_x), y(_y) {
    }
    float MakeHarderConcrete() const { return x + y; }
    float getX() const { return x; }
    float getY() const { return y; }
 }

这样，您的 RockSolid 对象是（伪）不可变对象，但您仍然可以进行分配。