C++学习笔记----8、掌握类与对象（三）---- CONSTEXPR与CONSTEVAL

在现代c++中，在编译时而不是运行时容易地执行计算是可能的。这提高了代码的运行时性能。有两个重要的关键字用于完成这个：constexpr与consteval。

1、constexpr关键字

c++总是有常量表达式的符号，它们在编译时计算表达式。在有些情况下，要求是常量表达式。例如，当定义数组时，数组的大小需要是一个常量表达式。因为这种限制，下面的代码在c++中是无效的：

cpp 复制代码

const int getArraySize()
{
	return 32;
}

int main()
{
	int myArray[getArraySize()];	 //ERROR: Invalid in C++
    println("Size of array = {}", size(myArray));
}

使用constexpr关键字，getArraySize()可以被重新定义允许从一个常量表达式内返回：

cpp 复制代码

constexpr int getArraySize()
{
	return 32;
}
int main()
{
	int myArray[getArraySize()];	 // OK
	println("Size of array = {}", size(myArray));
}

甚至可以像下面这样做：

cpp 复制代码

int myArray[getArraySize() + 1];    // OK

常量表达式只可用于constexpr实体与整数，布尔型，字符型，与枚举常量。

声明一个constexpr函数就包含了函数能做什么的限制，因为编译器需要能够在编译时评测函数。例如，constexpr函数不允许有副作用，也不能让例外逃出函数。在函数中抛出例外与在try代码块中获取是允许的。constexpr函数允许无条件地调用其它的constexpr函数。也允许调用non-constexpr函数，但是只有在运行时评测过程中触发的调用才可以，而在常量评测过程中的不行。例如：

cpp 复制代码

void log(string_view message)
{
	print("{}", message);
}

constexpr int computeSomething(bool someFlag)
{
	if (someFlag)
	{
		log("someFlag is true");
		return 42;
	}
	else
	{
		return 84;
	}
}

computeSomething()函数是一个constexpr且包含一个对于log()的调用，它是一个non-constexpr，但是该调用只是在someFlag为true时才执行。只要computeSomething()使用被设置成false的someFlag进行调用，就可以在常量表达式内被调用，例如：

cpp 复制代码

constexpr auto value1 { computeSomething(false) };

将someFlag设置成true调用这个函数就不能在常量表达式中完成。下面的代码编译不成功：

cpp 复制代码

constexpr auto value2 { computeSomething(true) };

而下面的代码却可以，因为评测现在发生在运行时而不是编译时：

cpp 复制代码

const auto value3 { computeSomething(true) };

c++23对constexpr函数放松了一点点：goto语句，lables(除了case labels)，static和static constexpr变量现在允许在constexpr函数中，以前是不可以的。

2、consteval关键字

constexpr关键字指出一个函数可以在编译时执行，但是不保证编译时执行。看下面的constexpr函数：

cpp 复制代码

constexpr double inchToMm(double inch) { return inch * 25.4; }

如果像下面这样调用，函数在编译时评测是如你所愿的：

cpp 复制代码

constexpr double const_inch { 6.0 };
constexpr double mm1 { inchToMm(const_inch) };    // at compile time

然而，如果像下面这样调用，函数在编译时不评测，而是在运行时评测！

cpp 复制代码

double dynamic_inch { 8.0 };
double mm2 { inchToMm(dynamic_inch) };    // at run time

如果你确实想要一个函数总是在编译时评测，需要使用consteval关键字，让函数变成即刻函数。inchToMm()函数可以修改如下：

cpp 复制代码

consteval double inchToMm(double inch) { return inch * 25.4; }

现在，使用前面定义的mm1调用inchToMm()仍然编译良好，进行编译时评测。然而，用定义的mm2进行调用就会编译错误，因为它无法在编译时评测。

即刻函数只可以在常量评测时调用。例如，假设你在如下的即刻函数：

cpp 复制代码

consteval int f(int i) { return i; }

该即刻函数可以从constexpr函数中调用，但是仅仅在constexpr函数在常量评测过程中被执行。例如，下面的函数使用了一个if consteval语句来检查常量评测是否发生，在这种情况下，它可以调用f()。而在else分支，f()不能被调用。

cpp 复制代码

constexpr int g(int i)
{
    if consteval 
        { return f(i); }
    else
        { return 42; }

}

3、constexpr与consteval类

通过定义一个constexpr或者consteval构造函数，可以生成用户定义的类型的常量表达式变量。与constexpr函数一样，constexpr类在编译时可以被评测也可以不被评测，而consteval类保证在编译时被评测。

下面的Matrix类定义了一个constexpr构造函数。它也定义了一个constexpr getSize()成员函数来执行一些计算。

cpp 复制代码

class Matrix
{
public:
	Matrix() = default; // Implicitly constexpr

	constexpr explicit Matrix(unsigned rows, unsigned columns)
		: m_rows{ rows }, m_columns{ columns }
	{
	}

	constexpr unsigned getSize() const
	{
		return m_rows * m_columns;
	}

private:
	unsigned m_rows{ 0 }, m_columns{ 0 };
};

使用这个类来声明constexpr对象是直接的：

cpp 复制代码

constexpr Matrix matrix { 8, 2 };
constexpr Matrix matrixDefault;

这样的一个constexpr对象现在可以使用，例如，生成一个足够大的数组来保存线性形式的矩阵：

cpp 复制代码

int linearizedMatrix[matrix.getSize()];    // OK

编译器生成的（隐式或显式使用=default）成员函数，比如缺省构造函数，析构函数，赋值操作符，等等，会自动成为constexpr，除非类包含数据成员，而这些成员函数不是constexpr。

constexpr与consteval成员函数的定义要对编译器可见，以便它们可以在编译时评测。这意味着如果类在模块中定义，这样的成员函数也必须定义在模块接口文件中，而不是在模块实现文件中。

注意：有些标准库中的类是constexpr，所以可以在其他constexpr函数与类中使用。例如std::vector，optional，string，unique_ptr,bitset,与variant。