C++ const와 상수: const, constexpr, consteval

상수가 존재하는 이유

상수는 한 번 설정한 뒤에는 절대 바꾸지 않겠다고 약속하는 값입니다. 무언가를 const로 표시하면 두 가지 일을 동시에 합니다. 코드를 읽는 누구에게나 여러분의 의도를 문서화하고, 컴파일러가 그 의도를 강제하게 합니다. 값을 변경하려는 줄은 조용한 런타임 버그가 아니라 컴파일 오류가 됩니다.

auto 키워드가 컴파일러에게 변수의 타입을 추론하게 하는 반면, const는 그 변수로 할 수 있는 일을 제한합니다. 둘은 자유롭게 결합됩니다. const auto limit = 100;은 읽기 전용 int입니다.

const 값 선언하기

const를 타입 앞에 둡니다. const 변수는 같은 줄에서 반드시 초기화해야 합니다. 나중에 대입할 수 있는 순간이 존재하지 않기 때문입니다.

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int maxUsers = 100;
    const double pi = 3.14159;

    cout << "Max users: " << maxUsers << "\n";
    cout << "Pi: " << pi << "\n";

    // maxUsers = 200; // 오류: 읽기 전용 변수에 대한 대입
    return 0;
}

대입의 주석을 해제하면 프로그램은 컴파일되지 않습니다. 컴파일러는 "assignment of read-only variable"이라고 알려줍니다. 바로 그것이 핵심입니다. 실수는 프로그램이 실행되기도 전에 잡힙니다.

C에서 가져온 흔한 초보자 습관이 #define MAX_USERS 100입니다. 피하세요. 매크로는 타입이 없고 스코프를 존중하지 않는 맹목적인 텍스트 치환이라 디버거에서 살펴볼 수 없고 혼란스러운 오류 메시지를 만들어냅니다. const(또는 constexpr) 변수는 다른 모든 것과 마찬가지로 타입 검사를 받고 스코프를 가집니다.

const vs constexpr

두 키워드 모두 바꿀 수 없는 값을 주지만, 답하는 질문이 다릅니다. const는 "이것은 설정된 뒤로 절대 바뀌지 않는다"고 말합니다. constexpr은 더 강하게 "이것은 컴파일 타임에 계산될 수 있다"고 말하며, constexpr인 것은 무엇이든 자동으로 const이기도 합니다.

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int n = 5;
    const int a = n;          // OK: 런타임 값, 단지 읽기 전용일 뿐
    constexpr int b = 10;     // OK: 컴파일 타임에 알려짐
    // constexpr int c = n;   // 오류: n은 컴파일 타임 상수가 아님

    int grid[b];              // 합법: 배열 크기는 컴파일 타임 상수여야 함
    cout << "Array length: " << sizeof(grid) / sizeof(grid[0]) << "\n";
    cout << a << " " << b << "\n";
    return 0;
}

경험칙: 값이 고정된 리터럴이거나 컴파일러가 할 수 있는 계산(배열 크기, 버퍼 길이, switch 레이블, 템플릿 인자)일 때는 언제든 constexpr을 선택하세요. 값이 런타임에 결정되지만 그 후에는 바뀌면 안 될 때(예: 함수 인자의 const 사본)는 일반 const를 사용하세요.

C++20부터는 반드시 컴파일 타임에 실행되어야 하는 함수에 사용하는 consteval도 있습니다.

consteval int square(int x) { return x * x; }
constexpr int area = square(8); // 컴파일 중에 계산됨

constexpr 함수는 컴파일 타임에 실행될 수 있고, consteval 함수는 항상 그래야 하며, 그렇지 않으면 오류입니다.

포인터와 const: 오른쪽에서 왼쪽으로 읽기

여기가 const가 사람들을 헷갈리게 하는 지점입니다. 키워드가 *의 어느 쪽에든 놓일 수 있고 두 의미가 정반대이기 때문입니다. 요령은 선언을 오른쪽에서 왼쪽으로 읽는 것입니다.

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 1, y = 2;

    const int* p1 = &x;   // const int를 가리키는 포인터: 가리키는 대상은 바꿀 수 있지만 *p1은 수정 불가
    p1 = &y;              // OK
    // *p1 = 5;           // 오류: *p1은 const

    int* const p2 = &x;   // int를 가리키는 const 포인터: *p2는 수정 가능, 가리키는 대상은 바꿀 수 없음
    *p2 = 99;             // OK
    // p2 = &y;           // 오류: p2는 const

    const int* const p3 = &x; // const int를 가리키는 const 포인터: 둘 다 불가

    cout << *p1 << " " << *p2 << " " << *p3 << "\n";
    return 0;
}

int* const p2를 오른쪽에서 왼쪽으로 읽으세요: "p2는 int를 가리키는 const 포인터". const int* p1은 "p1은 const int를 가리키는 포인터"로 읽습니다. 이것을 틀리면, 변경 가능하다고 생각했던 것을 변경할 수 없다는 오류에 당황하며 실제로 시간을 낭비하게 됩니다.

실용적인 함정: 절대 const의 주소를 가져와 캐스트로 const를 떼어내 그 밑에 있는 객체를 변경하지 마세요. 원래 객체가 정말로 const였다면 그렇게 하는 것은 정의되지 않은 동작이고, 컴파일러는 값이 절대 바뀌지 않는다고 가정할 수 있습니다. 여러분의 "쓰기"는 그냥 무시될 수 있습니다.

함수 매개변수로서의 const 참조

const의 가장 흔한 일상적 용도는 큰 객체를 복사하지 않고 참조로 전달하는 것입니다. const& 매개변수는 복사를 피하는 동시에 함수가 호출자의 인자를 수정하지 않겠다고 약속합니다.

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 문자열의 사본이 만들어지지 않으며, 실수로 변경할 수도 없다.
void greet(const string& name) {
    // name += "!"; // 오류: name은 const
    cout << "Hello, " << name << "!\n";
}

int main() {
    string user = "Ada";
    greet(user);
    greet("Grace"); // const&는 임시 리터럴에도 바인딩된다
    return 0;
}

const& 전달은 몇 바이트보다 큰 매개변수(문자열, 벡터, 직접 만든 클래스)에 대한 기본 선택입니다. 이것은 함수가 "Grace" 같은 임시 객체를 받을 수 있게도 해준다는 점에 유의하세요. 일반적인 비-const 참조는 임시 객체에 바인딩될 수 없으므로, 여기서 const를 빼면 그 두 번째 호출이 거부됩니다.

const 멤버 함수

클래스를 작성할 때는 객체를 수정하지 않는 메서드에 끝에 const를 붙이세요. 이것이 그 메서드를 const 인스턴스와 const& 매개변수에서 호출할 수 있게 만듭니다. 이것이 없으면 const 핸들을 통해 자신의 객체를 읽을 수조차 없습니다.

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Account {
    double balance = 0;
public:
    void deposit(double amount) { balance += amount; } // 수정함 -> const 아님
    double getBalance() const { return balance; }       // 읽기 전용 -> const
};

int main() {
    Account a;
    a.deposit(50);

    const Account& ref = a;        // 읽기 전용 뷰
    cout << ref.getBalance() << "\n"; // getBalance()가 const이기 때문에만 동작
    // ref.deposit(10);            // 오류: deposit()은 const가 아님
    return 0;
}

읽기 전용 메서드를 const로 표시하는 규율을 const correctness라고 합니다. 일찍 제대로 해두세요. const였어야 할 메서드를 추가하기는 쉽지만, 나중에 큰 코드베이스 전반에 const를 소급 적용하는 것은 고통스럽습니다. const 참조를 통한 모든 호출자가 그것에 의존하기 때문입니다.

다음: 연산자

이제 값을 const로 잠글 수 있게 되었으니, 다음 단계는 그 값으로 무언가를 하는 것입니다. 연산자 페이지에서는 산술, 비교, 논리, 대입 연산자를 다룹니다. 정수 나눗셈에 얽힌 함정, 연산자 우선순위, 그리고 사용이 허용되지 않는 대입 연산자와 const가 어떻게 상호작용하는지도 포함합니다.