5-6 常量表达式变量
在上一节5.5——常量表达式中，我们定义了常量表达式的含义，探讨了使用常量表达式的优势，并总结了常量表达式在编译时实际求值的时机。
本节课我们将深入探讨如何在现代C++中创建可用于常量表达式的变量，同时探索确保代码在编译时实际执行的第一种方法。
编译时常量挑战
在上一课中，我们提到创建可用于常量表达式的变量的一种方法是使用 const 关键字。具有整数类型且初始化器为常量表达式的 const 变量可用于常量表达式。其他所有 const 变量均不能用于常量表达式。
然而，使用 const 创建可用于常量表达式的变量存在若干挑战。
首先，使用 const 并不能立即明确该变量是否适用于常量表达式。某些情况下我们能较容易地判断：
int a { 5 }; // not const at all
const int b { a }; // clearly not a constant expression (since initializer is non-const)
const int c { 5 }; // clearly a constant expression (since initializer is a constant expression)
在其他情况下，这可能相当困难：
const int d { someVar }; // not obvious whether d is usable in a constant expression or not
const int e { getValue() }; // not obvious whether e is usable in a constant expression or not
在上例中，变量 d 和 e 能否用于常量表达式取决于 someVar 和 getValue() 的定义方式。这意味着我们必须检查这些初始化的定义来推断具体情况。即便如此仍可能不够——若 someVar 是 const 类型且通过变量或函数调用初始化，我们还需检查其初始化的定义！
其次，const的使用无法告知编译器我们需要一个可在常量表达式中使用的变量（若无法满足则应终止编译）。相反，它只会默默创建一个仅限于运行时表达式使用的变量。
第三，使用 const 创建编译时常量变量并不适用于非整型变量。而实际中存在大量场景需要将非整型变量也作为编译时常量处理。
constexpr 关键字
幸运的是，我们可以借助编译器的帮助，确保在需要时获得编译时常量变量。为此，我们在变量声明中使用 constexpr 关键字（即“常量表达式”的缩写）代替 const。constexpr变量始终是编译时常量。因此，constexpr 变量必须使用常量表达式初始化，否则将导致编译错误。
例如：
#include <iostream>
// The return value of a non-constexpr function is not constexpr
int five()
{
return 5;
}
int main()
{
constexpr double gravity { 9.8 }; // ok: 9.8 is a constant expression
constexpr int sum { 4 + 5 }; // ok: 4 + 5 is a constant expression
constexpr int something { sum }; // ok: sum is a constant expression
std::cout << "Enter your age: ";
int age{};
std::cin >> age;
constexpr int myAge { age }; // compile error: age is not a constant expression
constexpr int f { five() }; // compile error: return value of five() is not constexpr
return 0;
}
由于函数通常在运行时执行，其返回值并非常量表达式（即使返回表达式本身是常量表达式）。因此 five() 不能作为 constexpr int f 的合法初始化值。
相关内容
我们在 F.1 节——常量表达式函数中讨论了返回值可用于常量表达式的函数。
此外，constexpr 同样适用于非整数类型的变量：
constexpr double d { 1.2 }; // d can be used in constant expressions!
const 与 constexpr 在变量中的含义
对于变量：
- const 表示对象的值在初始化后不可更改。初始化器的值可能在编译时或运行时已知。const 对象可在运行时求值。
- constexpr 表示该对象可用于常量表达式。初始化器的值必须在编译时已知。constexpr 对象可在运行时或编译时求值。
constexpr 变量隐式具有 const 属性。const 变量不隐式具有 constexpr 属性（除初始化表达式为常量的 const 整型变量外）。虽然变量可同时定义为 constexpr 和 const，但在多数情况下这是冗余的，只需使用其中一种即可。
与const不同，constexpr不属于对象的类型属性。因此声明为constexpr int的变量实际类型为const int（因constexpr为对象隐式添加const属性）。
最佳实践
初始化表达式为常量表达式的常量变量应声明为constexpr。
初始化表达式非常量表达式（即运行时常量）的常量变量应声明为const。
注意事项：后续将讨论部分与 constexpr 不完全兼容的类型（包括 std::string、std::vector 及其他使用动态内存分配的类型）。对于此类型的常量对象，请使用 const 替代 constexpr，或选择兼容 constexpr 的替代类型（如 std::string_view 或 std::array）。
术语说明
constexpr 是“常量表达式”的组合词。该名称的选用源于 constexpr 对象（及函数）可用于常量表达式中。
严格而言，constexpr 关键字仅适用于对象和函数。惯例上，constexpr 一词常作为任何常量表达式（如 1 + 2）的简称。
作者注
本站部分示例编写于 constexpr 最佳实践出台之前，因此您会发现某些示例未遵循上述规范。我们正在逐步更新不符合规范的示例。
对于进阶读者
在 C 和 C++ 中，数组对象（可存储多个值的对象）的声明要求数组长度（可容纳的值的数量）在编译时已知（以便编译器确保为数组对象分配正确内存）。
由于字面量在编译时已知，因此可将其用作数组长度：
int arr[5]; // an array of 5 int values, length of 5 is known at compile-time在许多情况下，使用符号常量作为数组长度更为理想（例如避免魔数，并在数组长度被多处使用时便于修改）。在C语言中，这可通过预处理器宏或枚举器实现，但无法使用常量变量（排除具有其他弊端的可变长度数组）。C++为改进这一情况，试图允许使用const变量替代宏。但变量值通常被认为仅在运行时已知，这使得它们无法充当数组长度。
为解决此问题，C++语言标准新增了例外条款：当const整数类型使用常量表达式初始化时，其值将被视为编译时已知，从而可用于数组长度：
const int arrLen = 5; int arr[arrLen]; // ok: array of 5 ints当C++11引入常量表达式时，将常量表达式初始化的const int纳入该定义具有合理性。委员会曾讨论是否应将其他类型也纳入其中，但最终决定不予采纳。
常量(Const)和常量表达式函数形参(constexpr function parameters)
常规函数调用在运行时求值，传入的实参用于初始化函数形参。由于函数形参的初始化发生在运行时，这导致两个后果：
- 常量函数形参
const function parameters被视为运行时常量runtime constants（即使传入的实参是编译时常量）。 - 函数形参无法声明为 constexpr，因为其初始化值直至运行时才确定。
相关内容
我们将在下文讨论可在编译时求值（从而用于常量表达式）的函数。
C++ 还支持向函数传递编译时常量的方法，相关内容详见第 11.9 节——非类型模板参数。
命名法回顾
| Term | Definition |
|---|---|
| Compile-time constant | A value or non-modifiable object whose value must be known at compile time (e.g. literals and constexpr variables). |
| Constexpr | Keyword that declares objects as compile-time constants (and functions that can be evaluated at compile-time). Informally, shorthand for “constant expression”. |
| Constant expression | An expression that contains only compile-time constants and operators/functions that support compile-time evaluation. |
| Runtime expression | An expression that is not a constant expression. |
| Runtime constant | A value or non-modifiable object that is not a compile-time constant. |
constexpr 函数简介
constexpr 函数是指可在常量表达式中调用的函数。当包含该函数的常量表达式必须在编译时求值时（例如在 constexpr 变量的初始化器中），该函数必须在编译时完成求值。否则，constexpr 函数可在编译时（若符合条件）或运行时求值。要满足编译时执行的条件，所有参数必须是常量表达式。
定义 constexpr 函数时，需在函数声明的返回类型前添加 constexpr 关键字：
#include <iostream>
int max(int x, int y) // this is a non-constexpr function
{
if (x > y)
return x;
else
return y;
}
constexpr int cmax(int x, int y) // this is a constexpr function
{
if (x > y)
return x;
else
return y;
}
int main()
{
int m1 { max(5, 6) }; // ok
const int m2 { max(5, 6) }; // ok
constexpr int m3 { max(5, 6) }; // compile error: max(5, 6) not a constant expression
int m4 { cmax(5, 6) }; // ok: may evaluate at compile-time or runtime
const int m5 { cmax(5, 6) }; // ok: may evaluate at compile-time or runtime
constexpr int m6 { cmax(5, 6) }; // okay: must evaluate at compile-time
return 0;
}
作者注
本章原计划详细讨论constexpr函数，但读者反馈表明该主题内容过长且涉及细节，不宜在本教程系列早期呈现。因此，我们已将完整讨论移至F.1课——constexpr函数。
本节导论的核心要点在于：constexpr函数可在常量表达式中被调用。
后续示例中将适时出现 constexpr 函数的应用，但在正式讲解该主题前，我们不会要求您深入理解或自行编写此类函数。
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