C++ const char *p与char * const p的本质区别
2024-01-272.4k 阅读
一、C++ 中指针与常量的基础概念
在深入探讨 const char *p 与 char * const p 的本质区别之前，我们先来回顾一下 C++ 中指针和常量的基本概念。
（一）指针基础
指针是 C++ 中一个强大且重要的概念，它存储的是一个变量的内存地址。通过指针，我们可以间接地访问和操作该变量。例如：
int num = 10;
int *ptr = #
在上述代码中，ptr 是一个指向 int 类型变量 num 的指针，&num 表示获取 num 的内存地址，并将其赋值给 ptr。通过 *ptr 我们就可以访问到 num 变量的值，比如可以进行修改操作：*ptr = 20;，此时 num 的值就变为了 20。
（二）常量概念
常量是在程序执行过程中值不能被改变的量。在 C++ 中，我们使用 const 关键字来定义常量。例如：
const int constantNum = 100;
这里 constantNum 就是一个 int 类型的常量，一旦初始化后，其值就不能再被修改，若尝试 constantNum = 200; 编译器会报错。
二、const char *p 的详细解读
（一）语法含义
const char *p 表示 p 是一个指向 const char 类型的指针。这里的重点在于，指针所指向的内容是常量，即不能通过该指针去修改所指向的字符。然而，指针 p 本身的值（也就是它所指向的地址）是可以改变的。
（二）代码示例分析
#include <iostream>
int main() {
const char *p1;
const char str1[] = "Hello";
p1 = str1;
// 下面这行代码会报错，因为不能通过 p1 修改其所指向的内容
// *p1 = 'h';
const char str2[] = "World";
p1 = str2;
std::cout << "p1 现在指向: " << p1 << std::endl;
return 0;
}
在上述代码中，首先定义了一个 const char * 类型的指针 p1。然后将字符数组 str1 的地址赋给 p1。如果尝试通过 p1 修改其所指向的第一个字符（如 *p1 = 'h';），编译器会报错，因为 p1 指向的是常量字符。但是，我们可以让 p1 指向另一个字符数组 str2，这是因为指针 p1 本身的值（地址）是可以改变的。
（三）应用场景
这种类型的指针常用于函数参数传递，当我们希望函数不能修改传入的字符串内容时，就可以使用 const char * 作为参数类型。例如：
void printString(const char *str) {
std::cout << "打印字符串: " << str << std::endl;
// 下面这行代码会报错，因为不能修改传入的字符串
// *str = 'a';
}
int main() {
const char str[] = "Test";
printString(str);
return 0;
}
在 printString 函数中，参数 str 是 const char * 类型，这就保证了函数内部不会意外修改传入的字符串内容。
三、char * const p 的详细解读
（一）语法含义
char * const p 表示 p 是一个常量指针，即指针 p 本身的值（它所指向的地址）是常量，一旦初始化后就不能再改变。但是，通过这个指针所指向的内容（字符）是可以修改的。
（二）代码示例分析
#include <iostream>
int main() {
char str[] = "Hello";
char * const p2 = str;
// 下面这行代码会报错，因为 p2 是常量指针，不能改变其指向
// p2 = "World";
*p2 = 'h';
std::cout << "修改后的字符串: " << p2 << std::endl;
return 0;
}
在这段代码中，定义了一个字符数组 str，然后声明了一个常量指针 p2 并初始化为指向 str。如果尝试让 p2 指向另一个字符串（如 p2 = "World";），编译器会报错，因为 p2 是常量指针，其指向不能改变。但是，我们可以通过 p2 修改其所指向的字符，如 *p2 = 'h';，这里将 str 的第一个字符从 'H' 修改为 'h'。
（三）应用场景
当我们希望指针始终指向特定的内存位置，并且允许通过该指针修改内容时，就可以使用这种常量指针。例如，在实现一些简单的数据结构时，可能会用到这样的指针来固定指向某个数据块，同时又能对数据块内的数据进行修改。
四、两者本质区别的对比分析
（一）指向内容与指针本身的可变性
const char *p：指向的内容不可变，但指针本身可变。这就像是你拿着一把只能看不能改房间里东西的钥匙，不过你可以拿着这把钥匙去开其他房间（改变指针指向）。char * const p：指针本身不可变，但指向的内容可变。好比你有一把被固定在某个房间门上的钥匙，不能再拿去开其他房间门（不能改变指针指向），但可以在这个房间里随意改变东西（修改指向内容）。
（二）从内存角度理解
const char *p：在内存中，指针p存储的地址值可以改变，而p所指向的内存区域中的内容是只读的。假设p最初指向内存地址0x1000，存储着字符串"Hello"，后来p可以指向0x2000存储的"World"。但无论是0x1000还是0x2000处的字符串内容都不能通过p去修改。char * const p：指针p在内存中的地址值是固定的，一旦初始化指向某个内存区域，就不能再改变。但该内存区域中的内容是可读写的。例如p被初始化为指向0x3000存储的"Test"，虽然p不能再指向其他地址，但可以修改0x3000处存储的字符串内容。
（三）函数参数传递的区别
const char *p作为参数：常用于需要保护传入字符串不被函数修改的场景。比如标准库中的strlen函数，其参数就是const char *类型，因为strlen只是计算字符串长度，不应该修改字符串内容。
size_t strlen(const char *str) {
size_t len = 0;
while (*str != '\0') {
len++;
str++;
}
return len;
}
char * const p作为参数：当函数需要确保始终操作同一个特定的字符串，且允许修改该字符串内容时使用。例如，一个对字符串进行加密操作的函数，可能会接收char * const p类型的参数，因为要对传入的字符串进行修改，同时又要保证始终操作的是同一个字符串。
void encryptString(char * const str) {
for (int i = 0; str[i] != '\0'; i++) {
str[i] = str[i] + 1;
}
}
五、易错点与混淆情况分析
（一）声明与初始化的混淆
在声明 const char *p 时，有些人可能会错误地认为它和 char * const p 一样需要在声明时初始化。实际上，const char *p 可以先声明，后赋值，例如：
const char *p;
const char str[] = "Example";
p = str;
而 char * const p 必须在声明时初始化，因为它是常量指针，其值不能改变，如：
char str2[] = "Value";
char * const p2 = str2;
如果写成 char * const p2; p2 = str2; 编译器会报错。
（二）与 const char * const p 的混淆
const char * const p 表示指针本身和指向的内容都不可变。这与 const char *p 和 char * const p 都不同。例如：
const char * const p3;
// 这行代码会报错，因为 p3 必须在声明时初始化
const char str3[] = "Final";
const char * const p4 = str3;
// 下面这两行代码都会报错
// p4 = "Another";
// *p4 = 'a';
p4 既不能改变指向，也不能通过它修改所指向的内容。而 const char *p 只是不能修改指向内容，char * const p 只是不能改变指针指向，要清晰区分这三种情况。
（三）类型转换的易错点
- 从
char *到const char *：可以进行隐式转换，因为这种转换是安全的，不会破坏数据的只读性。例如：
char str4[] = "Original";
const char *p5 = str4;
- 从
const char *到char *：这种转换是不允许的，因为它可能会导致对常量数据的修改。例如：
const char str5[] = "Constant";
// 下面这行代码会报错
// char *p6 = str5;
char * const p的类型转换：由于p是常量指针，其指向不能改变，所以在类型转换时也要特别注意。一般情况下，将char * const p转换为const char * const p是可行的，因为这不会改变指针指向且进一步限制了对指向内容的修改。但反过来转换是不允许的，因为这可能会破坏指针的常量性。
六、实际项目中的应用场景扩展
（一）在字符串处理库中的应用
const char *的应用：在字符串比较函数如strcmp中，其参数通常是const char *类型。这样可以确保函数不会修改传入的字符串，同时可以对不同的字符串进行比较操作。
int strcmp(const char *s1, const char *s2) {
while (*s1 && *s2 && *s1 == *s2) {
s1++;
s2++;
}
return (*s1 < *s2) ? -1 : (*s1 > *s2);
}
char * const p的应用：在一些字符串复制并修改的函数中，可能会用到char * const p类型的指针。例如，实现一个将字符串中的小写字母转换为大写字母并复制到新字符串的函数。
void convertToUpper(char * const dest, const char *src) {
while (*src != '\0') {
if (*src >= 'a' && *src <= 'z') {
*dest = *src - 32;
} else {
*dest = *src;
}
src++;
dest++;
}
*dest = '\0';
}
这里 dest 是 char * const p 类型，保证了始终操作目标字符串的同一个位置，同时可以对其进行修改。
（二）在嵌入式系统开发中的应用
const char *的应用：在嵌入式系统中，一些存储在只读存储器（ROM）中的字符串常量，如设备名称、版本号等，通常会使用const char *类型的指针来访问。这样可以确保这些重要信息不会被意外修改。例如，一个物联网设备可能有一个固定的设备型号字符串存储在 ROM 中，通过const char *指针来获取该型号信息。
const char deviceModel[] = "IoT - Device - 100";
const char *modelPtr = deviceModel;
char * const p的应用：在一些嵌入式系统中，对特定内存区域进行连续的数据读写操作时，可能会用到char * const p类型的指针。比如，在与外部传感器进行通信时，传感器的数据可能会被固定存储在某个内存区域，通过一个常量指针来始终指向该区域进行数据读取和处理，同时可以根据需要修改该区域的数据（如设置传感器的工作模式等）。
（三）在大型软件项目架构中的应用
const char *的应用：在大型软件项目中，不同模块之间进行字符串数据传递时，为了保证数据的安全性和一致性，常常使用const char *类型。例如，在一个游戏引擎中，资源管理模块向渲染模块传递纹理名称等字符串信息时，使用const char *可以防止渲染模块意外修改这些资源名称。char * const p的应用：在一些核心数据结构的维护中，可能会用到char * const p类型。比如，在数据库管理系统中，对于存储数据库元数据的特定内存区域，可能会使用常量指针来始终指向该区域，同时允许在系统运行过程中对元数据进行修改（如更新数据库版本信息等）。
七、与其他相关概念的联系与区别
（一）与 const 修饰普通变量的区别
const int num = 10;：这里num是一个普通的const修饰的int类型常量，其值一旦初始化后就不能再改变，并且它占据的是普通的内存空间用于存储int类型的值。const char *p：p是一个指针，它指向的是const char类型的数据，即p可以改变指向，但不能通过p修改所指向的字符。p本身占据的是指针大小的内存空间（通常在 32 位系统为 4 字节，64 位系统为 8 字节），而它指向的字符占据的是char类型的内存空间（1 字节）。char * const p：p是常量指针，其指向不能改变，但可以通过它修改所指向的字符。同样，p本身占据指针大小的内存空间，指向的字符占据char类型的内存空间。
（二）与 volatile 关键字的联系与区别
volatile关键字：用于告诉编译器，被修饰的变量可能会在程序的控制流之外被改变，例如在多线程环境下或者与硬件交互时。例如，一个与硬件寄存器对应的变量可能会被volatile修饰。
volatile int hardwareRegister;
- 与
const char *p和char * const p的区别：const主要用于限制对数据的修改，而volatile主要用于告知编译器不要对变量进行优化，因为其值可能会意外改变。对于const char *p，强调的是不能通过p修改所指向的字符，而不管该字符是否会被其他方式改变；对于char * const p，强调的是指针p的指向不能改变，同样与该指针所指向内容是否会因其他原因改变无关。例如，一个const char *指向的字符串可能同时是volatile的，因为它可能是由硬件实时生成的字符串，虽然不能通过该指针修改，但它的值可能随时改变。
（三）与 typedef 结合使用的情况
typedef const char * cstr;：通过typedef定义了一个新类型cstr，它等价于const char *。这样在代码中使用cstr就如同使用const char *一样。例如：
typedef const char * cstr;
cstr p7;
const char str6[] = "Typedef Example";
p7 = str6;
typedef char * const cptr;：定义了一个新类型cptr，等价于char * const。例如：
typedef char * const cptr;
char str7[] = "Typedef Constant Ptr";
cptr p8 = str7;
通过 typedef 可以使代码在使用这些指针类型时更加简洁和易读，特别是在大型项目中，当频繁使用这些指针类型时，typedef 可以减少代码的重复编写，同时增强代码的可维护性。
八、优化与性能考虑
（一）编译器优化
const char *p：由于p指向的内容不可变，编译器在优化时可以对相关的操作进行一些假设。例如，在进行字符串比较等操作时，编译器知道不会通过p修改字符串内容，可能会采用更高效的算法进行比较，并且可以对缓存等方面进行优化。比如，在strcmp函数中，如果参数是const char *，编译器可能会将字符串数据放入只读缓存区域，提高读取效率。char * const p：编译器知道p的指向不会改变，在涉及到指针运算和内存访问优化时，可以进行一些针对性的优化。例如，在对p所指向的字符串进行遍历修改的操作中，编译器可以根据p的常量性进行一些循环展开等优化，提高执行效率。因为编译器可以确定p始终指向同一个内存区域，在编译时就可以对相关的内存访问指令进行优化。
（二）内存使用与性能
const char *p：从内存使用角度看，p本身占据一定的内存空间用于存储地址，而其所指向的内容通常可以被多个const char *指针共享，因为内容不可变。例如，多个函数可能都接收const char *类型的参数指向同一个字符串常量，这样可以节省内存。在性能方面，由于指向内容不可变，在多线程环境下访问时不需要额外的同步机制来防止数据竞争，从而提高了性能。char * const p：p占据指针大小的内存空间，其指向的内容是可变的。在内存使用上，如果p指向的是一个较大的字符串且频繁修改，可能会导致内存碎片等问题。在性能方面，由于p指向固定，对其指向内容的连续访问和修改可能会有较好的缓存命中率，因为数据集中在一个固定的内存区域。但在多线程环境下，如果多个线程同时访问并修改p所指向的内容，就需要同步机制来保证数据的一致性，这可能会带来一定的性能开销。
（三）代码可读性与可维护性对性能的间接影响
const char *p：在代码中使用const char *p可以清晰地表明意图，即不希望通过该指针修改字符串内容。这有助于其他开发人员理解代码，减少因误操作导致的错误。在大型项目中，减少错误可以避免因调试错误而带来的时间和性能损耗。同时，这种明确的类型声明也有助于代码的重构和维护，使得代码在长期的开发过程中能够保持较高的性能。char * const p：使用char * const p同样可以增强代码的可读性，表明指针指向固定且可以修改内容。这对于维护代码逻辑的清晰性很有帮助。例如，在一些数据处理模块中，明确指针的这种特性可以让开发人员更容易理解数据的流向和操作方式，从而编写更高效的代码。在项目维护过程中，清晰的代码结构可以更快地定位和修复问题，间接提高了整个项目的性能。
九、总结两者本质区别的重要性
（一）避免编程错误
const char *p的误用：如果错误地将需要修改字符串内容的操作使用const char *p类型的指针，编译器会报错，导致程序无法正确运行。例如，在一个字符串加密函数中，如果参数定义为const char *，而函数内部尝试修改字符串内容，就会出现编译错误。正确使用const char *p可以防止在不需要修改字符串的地方意外修改，避免引入难以调试的逻辑错误。char * const p的误用：若将需要改变指针指向的操作使用char * const p类型的指针，同样会导致编译错误。比如，在一个需要动态分配字符串并不断更新指针指向的场景中，如果使用char * const p，就无法满足需求。正确理解和使用char * const p可以确保指针的指向不会被意外改变，保证程序的稳定性。
（二）提高代码的可维护性和可读性
const char *p的优势：在代码中明确使用const char *p类型，能够让其他开发人员一眼看出该指针指向的内容不应被修改，这对于理解代码的逻辑和意图非常有帮助。在大型项目中，当多个开发人员协同工作时，这种清晰的类型声明可以减少沟通成本，提高代码的可维护性。例如，在一个网络通信模块中，接收的消息字符串使用const char *传递，新加入的开发人员可以很容易明白该消息不应在模块内被修改。char * const p的优势：使用char * const p类型可以清晰地表明指针的指向是固定的，同时可以修改指向的内容。这对于理解代码的功能和数据流向很有帮助。比如，在一个文件处理模块中，使用char * const p指向文件缓冲区，开发人员可以清楚地知道缓冲区的位置是固定的，并且可以对缓冲区内容进行操作，提高了代码的可读性和可维护性。
（三）适应不同的编程场景需求
const char *p的适用场景：适用于需要保护数据不被修改的场景，如函数参数传递只读字符串、访问常量数据等。在操作系统内核中，对于一些存储在只读内存区域的系统配置信息，使用const char *来访问可以确保这些信息不被误修改。char * const p的适用场景：适用于需要固定指针指向且允许修改内容的场景，如对特定内存区域进行连续数据处理、实现简单的数据结构等。在图形处理库中，对于固定的图形缓冲区，使用char * const p来操作可以保证始终对同一缓冲区进行操作，同时可以根据绘制需求修改缓冲区内容。
通过深入理解 const char *p 与 char * const p 的本质区别，开发人员能够编写出更健壮、高效且易于维护的 C++ 代码，在不同的编程场景中灵活运用这两种指针类型，充分发挥 C++ 语言的强大功能。