C++23 中 constexpr 的重要改动

文章目录

• • [1. constexpr 函数中使用非字面量变量、标号和 goto (P2242R3)](#1. constexpr 函数中使用非字面量变量、标号和 goto (P2242R3))
  • • 示例代码
  • [2. 允许 constexpr 函数中的常量表达式中使用 static 和 thread_local 变量 (P2647R1)](#2. 允许 constexpr 函数中的常量表达式中使用 static 和 thread_local 变量 (P2647R1))
  • • 示例代码
  • [3. constexpr 函数的返回类型和形参类型不必为字面类型 (P2448R2)](#3. constexpr 函数的返回类型和形参类型不必为字面类型 (P2448R2))
  • • 示例代码
  • [4. 不存在满足核心常量表达式要求的调用的 constexpr 函数 (P2448R2)](#4. 不存在满足核心常量表达式要求的调用的 constexpr 函数 (P2448R2))
  • • 示例代码
  • 总结表格

在 C++23 标准中， constexpr 特性迎来了一系列令人瞩目的改动，这些改动进一步提升了 C++ 的编译时计算能力和代码的灵活性。下面我们将详细介绍这些改动，并通过表格的形式进行总结。

1. constexpr 函数中使用非字面量变量、标号和 goto (P2242R3)

在 C++23 之前，constexpr 函数的使用受到较多限制，不能在其中使用非字面量变量、标号和 goto 语句。但在 C++23 中，这些限制被放宽了。这意味着在 constexpr 函数里，我们可以更自由地编写代码，利用非字面量变量进行计算，使用标号和 goto 语句实现复杂的控制流。

在过去，由于这些限制，一些看似合理的代码可能会被编译器拒绝。例如下面的代码：

template<typename T> constexpr bool f() {
  if (std::is_constant_evaluated()) {
    // ...
    return true;
  } else {
    T t;
    // ...
    return true;
  }
}
struct nonliteral { nonliteral(); };
static_assert(f<nonliteral>());

在之前的标准中，这段代码可能会因为 nonliteral 是一个非字面类型而导致编译失败，尽管导致失败的那一行代码并不在常量求值的上下文中。而在 C++23 中，这样的代码是有效的。

从编译器支持情况来看，GCC 12 和 Clang 15 开始支持这一改动。这一改动的原理是，只要这些非字面量变量、标号和 goto 语句在编译时不被求值，它们在函数中的存在就不会有问题。因为 constexpr 函数可能在编译时求值，也可能在运行时求值。如果我们想在 constexpr 函数中调用一段保证在编译时求值的代码，需要将这段代码放在 if consteval 或 if (std::is_constant_evaluated()) 条件下的代码块中。

示例代码

#include <iostream>

constexpr int func(int x) {
    int result = 0;
    if (x > 0) {
        result = x * 2;
    } else {
        // 使用标号和 goto
        label:
        result = -x;
    }
    return result;
}

int main() {
    constexpr int value = func(5);
    std::cout << "Result: " << value << std::endl;
    return 0;
}

2. 允许 constexpr 函数中的常量表达式中使用 static 和 thread_local 变量 (P2647R1)

在 C++23 之前，constexpr 函数的常量表达式中不允许使用 static 和 thread_local 变量。C++23 打破了这个限制，允许在 constexpr 函数的常量表达式中使用这两种变量。这为编译时计算提供了更多的可能性，例如可以在编译时初始化一些静态变量或线程局部变量。

最初，constexpr 函数中根本不允许声明任何 static 变量。后来在 [P2242R3] 中有所放宽，规则改为控制流不能经过 static 变量的初始化。对于 static（或者更糟糕的 thread_local）变量，其初始化器可能会运行任意代码，所以之前有这样的限制是合理的。但对于 static constexpr 变量，根据定义，它必须是常量初始化的，不存在何时运行初始化的问题，它就是一个常量。

下面我们来看一个例子：

char xdigit(int n) {
    static constexpr char digits[] = "0123456789abcdef";
    return digits[n];
}

这个函数原本是完全没问题的，但当我们尝试将其扩展为在编译时也能工作时，就会遇到问题：

constexpr char xdigit(int n) {
    static constexpr char digits[] = "0123456789abcdef";
    return digits[n];
}

在之前的标准中，这段代码是格式错误的，但在 C++23 中，它是有效的。

在之前为了实现类似的功能，有几种变通方法，但都有各自的缺点。比如可以完全避开 static 变量，直接索引字面量，但这只在我们只需要使用一次时才有效：

constexpr char xdigit(int n) {
    return "0123456789abcdef"[n];
}

也可以将 static 变量移到非局部作用域，但我们希望将其设为局部变量是有原因的，它只与这个特定的函数相关：

static constexpr char digits[] = "0123456789abcdef";
constexpr char xdigit(int n) {
    return digits[n];
}

还可以将变量设为非 static，但编译器很难对其进行优化，会导致代码生成效果变差：

constexpr char xdigit(int n) {
    constexpr char digits[] = "0123456789abcdef";
    return digits[n];
}

示例代码

#include <iostream>

constexpr int func() {
    static int counter = 0;
    counter++;
    return counter;
}

int main() {
    constexpr int value = func();
    std::cout << "Counter value: " << value << std::endl;
    return 0;
}

3. constexpr 函数的返回类型和形参类型不必为字面类型 (P2448R2)

在 C++23 之前，constexpr 函数的返回类型和形参类型必须是字面类型。C++23 放宽了这一要求，允许 constexpr 函数的返回类型和形参类型不必为字面类型。这使得 constexpr 函数的使用更加灵活，可以处理更多类型的数据。

示例代码

#include <iostream>
#include <string>

constexpr std::string func(const std::string& str) {
    return str + " appended";
}

int main() {
    constexpr std::string result = func("Hello");
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    return 0;
}

4. 不存在满足核心常量表达式要求的调用的 constexpr 函数 (P2448R2)

在 C++23 中，对于那些不存在满足核心常量表达式要求的调用的 constexpr 函数，也有了新的处理方式。这使得在某些情况下，即使函数的调用不满足核心常量表达式的要求，函数仍然可以作为 constexpr 函数存在。

示例代码

#include <iostream>

constexpr int func(int x) {
    if (x > 0) {
        return x * 2;
    } else {
        // 这里的调用可能不满足核心常量表达式要求
        return -x;
    }
}

int main() {
    int value = 5;
    // 这里的调用可能不是常量表达式
    int result = func(value);
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    return 0;
}

总结表格

改动内容	提案编号	说明
constexpr 函数中使用非字面量变量、标号和 goto	P2242R3	放宽了 constexpr 函数的使用限制，允许使用非字面量变量、标号和 goto 语句，只要在编译时不被求值即可，GCC 12 和 Clang 15 开始支持
允许 constexpr 函数中的常量表达式中使用 static 和 thread_local 变量	P2647R1	打破了 constexpr 函数常量表达式中对 static 和 thread_local 变量的限制，之前 static 变量相关规则在 [P2242R3] 中有所调整，现在 static constexpr 变量在 constexpr 函数中使用更合理
constexpr 函数的返回类型和形参类型不必为字面类型	P2448R2	使 constexpr 函数的使用更加灵活，可处理更多类型的数据
不存在满足核心常量表达式要求的调用的 constexpr 函数	P2448R2	对于不满足核心常量表达式要求的调用的 constexpr 函数有了新的处理方式