C++学习笔记 52 constexpr

constexpr

constexpr是 C++ 中用于声明编译时常量表达式的关键字‌，它要求变量、函数或构造函数的计算在编译时完成，而非运行时，从而提升程序性能。‌‌

基本概念与核心特性

constexpr 的核心是‌强制编译时计算‌，适用于变量、函数和类构造函数：

1‌. 变量声明‌：必须用常量表达式初始化，且类型为字面类型（如 int、float），否则编译报错。例如：

constexpr int x = 42;  // 正确：编译时初始化
constexpr int y = j + 1;  // 错误：j 非编译时常量

‌2. 函数要求‌

• 参数和返回值必须是字面类型。
• 函数体仅允许编译时可计算的操作（如 if、switch，但无 try 或 goto）。
• 递归在 C++14 后允许，虚函数在 C++20 后支持。‌‌

‌3. ‌优势‌‌：‌减少运行时开销‌，例如数组大小、模板参数等场景可直接用编译结果，避免重复计算。‌‌

与 const 的关键区别

constexpr 和 const 都表示常量，但核心差异在‌计算时机‌：

‌1. 初始化时机‌‌：
const：值可在运行时初始化（如 const int a = getValue();）。
constexpr：‌必须编译时初始化‌，值需为常量表达式。‌‌

‌‌2. 适用场景‌‌：
const：通用只读变量（如 const int PI = 3.14;）。
constexpr：‌需编译时计算的场景‌（如数组大小 constexpr int size = 10; int arr[size];）。‌‌

‌‌3. 性能影响‌‌：constexpr 通过编译时计算‌消除运行时开销‌，而 const 仅保证值不可变。‌‌

实际应用与编译器支持

‌1. 代码示例‌：

• 编译时计算阶乘：

constexpr int fac(int n) { return n <= 1 ? 1 : n * fac(n - 1); }
static_assert(fac(5) == 120);  // 编译时验证

• C++23 扩展：std::bitset 和 std::unique_ptr 支持 constexpr，例如：

constexpr std::bitset<8> bits(42);  // 编译时初始化

‌2. 编译器支持‌：
‌C++11‌：基础支持，仅限简单表达式。
‌C++14‌：允许递归、局部变量和更多控制结构。
‌C++17‌：支持 if constexpr 和 constexpr lambda。
‌C++23‌：扩展至 std::bitset、std::unique_ptr 等库。‌‌