constexpr 的来龙去脉

要点回顾

此部分方便知识点快速回顾，首次阅读请从引言部分开始。

• 所有的 constexpr 对象都是 const 的，但不是所有的 const 对象都是 constexpr 的。

• constexpr 整型值能够用在任何 const 整型值可以用的地方，例如模板参数和数组的申明。

• 不同于 const， constexpr 还可以修饰函数和类的构造函数。

• constexpr 表示值或者返回值是常量，并且如果可能，在编译时计算它们。

• constexpr 和 const 的主要区别是 const 变量的初始化可以被延时到运行时，而 constexpr 变量必须在编译时初始化。

• 当参数是 constexpr 值时，constexpr 函数产生一个编译时的常量。当被调用时传入非 constexpr 参数，或者其返回值在非编译时请求，constexpr 函数和普通函数一样将产生一个运行时的值。(这种行为能够让你避免编写两个相同功能的函数，一个为 constexpr 版本，一个为非 constexpr 版本)

• constexpr 是对象或者函数接口的一部分，所以如果你使用了 constexpr 但反悔了，移除 constexpr 可能会导致大量的调用代码编译失败。

引言

关键字 constexpr (constant expression) 是在 C++11 中引入的，并且在 C++14 中进行了优化。

constexpr 是什么？

constexpr 和 const 一样可以用来修饰变量：试图修改 constexpr 变量时，编译器将会报错。

不同于 const， constexpr 还可以修饰函数和类的构造函数。 constexpr 表示值或者返回值是常量，并且如果可能，在编译时计算它们。

一个 constexpr 整型值能够用在任何 const 整型值可以用的地方，例如模板参数和数组的申明。

当值在编译时计算而不是运行时计算时，它能够使程序运行得更快，并使用更少的内存。

为了限制编译时常量计算的复杂性，以及其对编译时间潜在的影响， C++14 标准需要 constexpr 类型必须为字面值类型。

语法

constexpr literal-type identifier = constant-expression ;
constexpr literal-type identifier { constant-expression } ;
constexpr literal-type identifier ( params ) ;
constexpr ctor ( params ) ;

参数

params
一个或者多个参数, 每个参数必须是字面值类型并且本身是 常量表达式 。

返回值

一个 constexpr 变量或者函数必须返回字面值类型。

constexpr 变量

constexpr 和 const 的主要区别是 const 变量的初始化可以被延时到运行时，而 constexpr 变量必须在编译时初始化。所有的 constexpr 变量都是 const。

• 当变量由字面值类型初始化时，能够声明为 constexpr。如果初始化时由构造函数执行的，那么该构造函数也必须声明为 constexpr。

• 引用类型可以声明为 constexpr 只要满足：引用对象是由 常量表达式初始化的，并且初始化时任何隐式转换也是常量表达式。

• 所有 constexpr 变量或者函数的声明必须拥有 constexpr 说明符。

举例：

constexpr float x = 42.0;
constexpr float y{108};
constexpr float z = exp(5, 3);
constexpr int i; // Error! Not initialized
int j = 0;
constexpr int k = j + 1; //Error! j not a constant expression

constexpr 函数

constexpr 函数的返回值是在编译时计算的。调用代码需要返回值在编译时初始化一个 constexpr 变量， 或者提供一个非类型模板参数。 当参数是 constexpr 值时，constexpr 函数产生一个编译时的常量。当被调用时传入非 constexpr 参数，或者其返回值在非编译时请求，constexpr 函数和普通函数一样将产生一个运行时的值。(这种行为能够让你避免编写两个相同功能的函数，一个为 constexpr 版本，一个为非 constexpr 版本)

constexpr 函数或者构造函数默认是 inline 的.

以下规则适用于 constexpr 函数:

• 必须接受并返回字面值类型。
• 可以是递归的.
• 不能是虚构的。当类有虚基类时，构造函数不能定义为 constexpr。
• 函数体可以定义为 = default 或者 = delete。
• 函数体不能包含 goto 语句或者 try 块。
• 显式特化/具体化(explicit specialization)的非 constexpr 模板能够声明为 constexpr。
• 显式特化/具体化(explicit specialization)的非 constexpr 模板不必声明为 constexpr。

以下 constexpr 函数规则适用于 Visual Studio 2017 及以后的版本：

• 可以包含 if 和 switch 语句，以及所有循环语句包括 for，while 和 do-while
• 可以包含初始化的局部变量，并且必须是字面值类型，不能是 static 或者 thread-local。该局部变量不必是 const 的。
• 非 static 的 constexpr 成员函数不必隐式为 const

constexpr float exp(float x, int n)
{
    return n == 0 ? 1 :
        n % 2 == 0 ? exp(x * x, n / 2) :
        exp(x * x, (n - 1) / 2) * x;
}

提示：

在 Visual Studio 调试器中, 当调试一个非优化的调试版本，你能够通过在函数内部设置断点来区分 constexpr 函数是否在编译时计算。如果断点能够触发，则为运行时计算，否则，为编译时计算。

示例

以下例子演示了 constexpr 变量, 函数, 以及用户自定义类型。 在 main() 最后, constexpr 成员函数 GetValue() 是在运行时调用的，因为其返回值没有被要求在编译时确定。

#include <iostream>

using namespace std;

// Pass by value
constexpr float exp(float x, int n)
{
    return n == 0 ? 1 :
        n % 2 == 0 ? exp(x * x, n / 2) :
        exp(x * x, (n - 1) / 2) * x;
}

// Pass by reference
constexpr float exp2(const float& x, const int& n)
{
    return n == 0 ? 1 :
        n % 2 == 0 ? exp2(x * x, n / 2) :
        exp2(x * x, (n - 1) / 2) * x;
}

// Compile-time computation of array length
template<typename T, int N>
constexpr int length(const T(&)[N])
{
    return N;
}

// Recursive constexpr function
constexpr int fac(int n)
{
    return n == 1 ? 1 : n * fac(n - 1);
}

// User-defined type
class Foo
{
public:
    constexpr explicit Foo(int i) : _i(i) {}
    constexpr int GetValue() const
    {
        return _i;
    }
private:
    int _i;
};

int main()
{
    // foo is const:
    constexpr Foo foo(5);
    // foo = Foo(6); //Error!

    // Compile time:
    constexpr float x = exp(5, 3);
    constexpr float y { exp(2, 5) };
    constexpr int val = foo.GetValue();
    constexpr int f5 = fac(5);
    const int nums[] { 1, 2, 3, 4 };
    const int nums2[length(nums) * 2] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };

    // Run time:
    cout << "The value of foo is " << foo.GetValue() << endl;
}

constexpr 和 const 的异同

相同处：

constexpr 和 const 一样可以用来修饰变量：试图修改 constexpr 变量时，编译器将会报警。一个 constexpr 整型值能够用在任何 const 整型值可以用的地方，例如模板参数和数组的申明。

不同处：

constexpr 还可以修饰函数和类的构造函数。constexpr** 表示值或者返回值是常量，并且如果可能，在编译时计算它们。
当一个值在编译时计算而不是运行时计算时，它能够使程序运行得更快，并使用更少的内存。

所有的 constexpr 对象都是 const 的，但不是所有的 const 对象都是 constexpr 的。

示例

int sz;                             // non-constexpr variable
…

constexpr auto arraySize1 = sz;     // error! sz's value not
                                    // known at compilation

std::array<int, sz> data1;          // error! same problem

constexpr auto arraySize2 = 10;     // fine, 10 is a 
                                    //compile-time constant

std::array<int, arraySize2> data2;  // fine, arraySize2
                                    // is constexpr

int sz;                             // as before
…

const auto arraySize = sz;          // fine, arraySize is
                                    // const copy of sz

std::array<int, arraySize> data;    // error! arraySize's value
                                    // not known at compilation

应该使用 constexpr 的场景

只要允许，尽可能使用 constexpr，当值在编译时计算而不是运行时计算时，它能够使程序运行得更快，并使用更少的内存。

不应该使用 constexpr 的场景

constexpr 是对象或者函数接口的一部分，所以如果你使用了 constexpr 但反悔了，移除 constexpr 可能会导致大量的调用代码编译失败。(比如添加 I/O 操作用于调试或者性能调优可能导致这样的问题，因为 I/O 语句通常不是在 constexpr 函数中执行的。)

引用

• Microsoft Docs (https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/cpp/constexpr-cpp?view=msvc-160)

• Effective Modern C++