C++ constexpr用法详解（附带实例）

在编译时运算表达式可以改善执行时间，因为需要执行的代码少了，编译器可做额外的优化。

编译时常量不仅仅是字面量（如数字或字符串），也可以是函数执行的结果。如果函数的所有输入值（不管它们是参数、局部变量或全局变量）在编译时已知，则编译器可以执行该函数并可在编译时获取其值。

C++ 中的关键字 constexpr（constant expression 的简称）用于声明编译时常量对象和函数。

C++ constexpr的使用方式

使用 constexpr 关键字，当你想要：
1) 定义可在编译时运算的非成员函数：

constexpr unsigned int factorial(unsigned int const n)
{
    return n > 1 ? n * factorial(n-1) : 1;
}

2) 定义可在编译时执行的用来初始化 constexpr 对象的构造函数及编译时调用的成员函数：

class point3d
{
    double const x_;
    double const y_;
    double const z_;
public:
    constexpr point3d(double const x = 0,
                      double const y = 0,
                      double const z = 0)
        : x_{x}, y_{y}, z_{z}
    {}

    constexpr double get_x() const {return x_;}
    constexpr double get_y() const {return y_;}
    constexpr double get_z() const {return z_;}
};

3) 定义可在编译时被运算的变量：

constexpr unsigned int size = factorial(6);
char buffer[size] {0};
constexpr point3d p {0, 1, 2};
constexpr auto x = p.get_x();

深度剖析C++ constexpr

C++ 中，const 关键字用来声明变量运行时为常量，这意味着一旦初始化，它们不可被更改。

然而，运算常量表达式仍可能需要运行时计算。constexpr关键字用来声明编译时为常量的变量或可在编译时运行的函数。constexpr 函数和对象可替换宏和硬编码字面值，而不会有性能损失。

函数声明为 constexpr 并不意味着它通常在编译时进行运算。它只允许在编译时运算的表达式中使用该函数。这只有当函数的输入值均可在编译时运算时才会发生。

以下代码展示了同一函数的两次调用，第一次是在编译时，第二次是在运行时：

constexpr unsigned int size = factorial(6);
// compile time evaluation

int n;
std::cin >> n;
auto result = factorial(n);
// runtime evaluation

constexpr 的使用范围有一些限制。在 C++14 和 C++20 中，这些限制有所变化。为了保持合理的列表，这里只展示 C++20 中需要满足的要求：
1) constexpr 的变量必须满足以下要求：

它的类型是字面类型；
它在声明的时候进行初始化；
用来初始化变量的表达式是常量表达式；
它必须有常量析构函数。这意味着它不是类类型或类类型的数组；否则，类类型必须有 constexpr 析构函数。

2) constexpr的函数必须满足以下要求：

它不是协程；
返回类型和它所有参数的类型都是字面类型；
至少有一组参数，可使函数产生常量表达式；
函数体必须不包含 goto 语句、标签（switch 里的 case 和 default 除外），以及非字面类型、静态或线程存储周期的局部变量。

3) 除了前面函数的要求外，constexpr 的构造函数必须额外满足以下要求：

类没有虚基类；
初始化非静态数据成员（包括基类）的所有构造函数必须是 constexpr。

4) 除了之前函数的要求外，C++20 之后的 constexpr 析构函数，还必须额外满足以下要求：

类没有虚基类；
析构非静态数据成员（包括基类）的所有析构函数必须是 constexpr。

constexpr 类型的函数不是隐式的 const（在 C++14 中），因此如果函数不修改对象逻辑状态，那么你需要显式地使用 const 说明符。然而，constexpr 类型的函数是隐式的 inline（内联）。

另外，声明为 constexpr 的对象隐式地为 const。以下两个声明是等价的：

constexpr const unsigned int size = factorial(6);
constexpr unsigned int size = factorial(6);

一些情况下你需要同时声明 constexpr 和 const，它们可能是声明的不同部分。在以下示例中，p 是 constexpr 指针，指向常量整型：

static constexpr int c = 42;
constexpr int const * p = &c;

引用变量也可以是 constexpr，当且仅当它们是静态存储周期对象或函数的别名。以下代码片段给出了一个示例：

static constexpr int const & r = c;

在此示例中，r 是一个 constexpr 引用，定义了编译时常量对象 c 的别名，c 则在前面的代码片段中定义。

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