C++ 中的 mutable 关键字

来源 https://liam.page/2017/05/25/the-mutable-keyword-in-Cxx/

参考 https://www.zhihu.com/question/64969053

此篇介绍 C++ 中的 mutable 关键字。

类中的 mutable

mutable 从字面意思上来说，是「可变的」之意。

若是要「顾名思义」，那么这个关键词的含义就有些意思了。显然，「可变的」只能用来形容变量，而不可能是「函数」或者「类」本身。然而，既然是「变量」，那么它本来就是可变的，也没有必要使用 mutable 来修饰。那么，mutable 就只能用来形容某种不变的东西了。

C++ 中，不可变的变量，称之为常量，使用 const 来修饰。然而，若是 const mutable 联用，未免让人摸不着头脑——到底是可变还是不可变呢？

事实上，mutable 是用来修饰一个 const 示例的部分可变的数据成员的。如果要说得更清晰一点，就是说 mutable 的出现，将 C++ 中的 const 的概念分成了两种。

• 二进制层面的 const，也就是「绝对的」常量，在任何情况下都不可修改（除非用 const_cast）。
• 引入 mutable 之后，C++ 可以有逻辑层面的 const，也就是对一个常量实例来说，从外部观察，它是常量而不可修改；但是内部可以有非常量的状态。

当然，所谓的「逻辑 const」，在 C++ 标准中并没有这一称呼。这只是为了方便理解，而创造出来的名词。

显而易见，mutable 只能用来修饰类的数据成员；而被 mutable 修饰的数据成员，可以在 const 成员函数中修改。

这里举一个例子，展现这类情形。

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class HashTable {
 public:
    //...
    std::string lookup(const std::string& key) const
    {
        if (key == last_key_) {
            return last_value_;
        }

        std::string value{this->lookupInternal(key)};

        last_key_   = key;
        last_value_ = value;

        return value;
    }

 private:
    mutable std::string last_key_
    mutable std::string last_value_;
};

这里，我们呈现了一个哈希表的部分实现。显然，对哈希表的查询操作，在逻辑上不应该修改哈希表本身。因此，HashTable::lookup 是一个 const 成员函数。在 HashTable::lookup 中，我们使用了 last_key_ 和 last_value_ 实现了一个简单的「缓存」逻辑。当传入的 key 与前次查询的 last_key_ 一致时，直接返回 last_value_；否则，则返回实际查询得到的 value 并更新 last_key_ 和 last_value_。

在这里，last_key_ 和 last_value_ 是 HashTable 的数据成员。按照一般的理解，const 成员函数是不允许修改数据成员的。但是，另一方面，last_key_ 和 last_value_ 从逻辑上说，修改它们的值，外部是无有感知的；因此也就不会破坏逻辑上的 const。为了解决这一矛盾，我们用 mutable 来修饰 last_key_ 和 last_value_，以便在 lookup 函数中更新缓存的键值。

Lambda 表达式中的 mutable

C++11 引入了 Lambda 表达式，程序员可以凭此创建匿名函数。在 Lambda 表达式的设计中，捕获变量有几种方式；其中按值捕获（Caputre by Value）的方式不允许程序员在 Lambda 函数的函数体中修改捕获的变量。而以 mutable 修饰 Lambda 函数，则可以打破这种限制。

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int x{0};
auto f1 = [=]() mutable {x = 42;};  // okay, 创建了一个函数类型的实例
auto f2 = [=]()         {x = 42;};  // error, 不允许修改按值捕获的外部变量的值

需要注意的是，上述 f1 的函数体中，虽然我们给 x 做了赋值操作，但是这一操作仅只在函数内部生效——即，实际是给拷贝至函数内部的 x 进行赋值——而外部的 x 的值依旧是 0。

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