const 与 constexpr

一、问题:

遇到过该问题：在类中，与static关键字一起使用时, 未在类外进行再次声明，导致编译报错

c++ 复制代码

class A
{
  public:
    void txMsg(const int& x) const;
    void rxMsg(const int x);

    void func();
  private:

    static const int  m_data1 = 10; 
    static constexpr int m_data2 = 20;
    static inline const int m_data3 = 30; 
};

// 正确做法, 类外进行再次声明
const int A::m_data1; 
constexpr int A::m_data2; 

A::func()
{
  this->txMsg(m_data1); 
  this->rxMsg(m_data1);
  
  this->txMsg(m_data2); 
  this->rxMsg(m_data2);

  this->txMsg(m_data3); 
  this->rxMsg(m_data3);
}

//错误做法， 未进行再次声明

A::func()
{
  this->txMsg(m_data1);       // 编译报错
  this->rxMsg(m_data1);
  
  this->txMsg(m_data2);       // 编译报错
  this->rxMsg(m_data2);

  this->txMsg(m_data3); 
  this->rxMsg(m_data3);
}

原因就在于static关键字上，单一定义原则(ODR),当静态成员变量需要取地址 时，必须在类外进行再次声明，否则编译器会报错。

类型	类内初始化	是否需要类外再次声明
static const int	可以	如果要被取地址，需要
static const 非整型	不可以	需要
static constexpr 任意类型	可以	如果要被取地址，需要
static inline const 任意类型	可以	不需要

二、 const 与 constexpr的区别

回顾下内存区域：

内存区域	存储内容	生命周期	管理对象
代码区	存放函数体的二进制代码	程序运行期间	操作系统
全局区	存放全局变量和静态变量以及常量	程序运行期间	操作系统
栈区	存放函数的参数值，局部变量	函数运行期间	编译器自动分配释放
堆区	存放`new`,`malloc`分配的内存数据	程序运行期间	程序员手动释放，否则由操作系统回收

const:可以修饰多种变量，包括局部变量、全局变量、静态变量等；因此const变量的内存区域取决于它定义的位置
- 局部变量：栈区
c++ 复制代码
```
void func()
{
  // 局部变量，栈区
  const int local_var = 10;
}
```
- 局部变量：堆区
c++ 复制代码
```
void func()
{
  // 堆区
  const int* heap_var = new const int(10);

  delete heap_var;
}
```
- 全局变量：全局区

c++ 复制代码

const int global_var = 10; // 全局区

静态变量：全局区

c++ 复制代码

class A
{
 private:
   static const int static_var = 10; // 全局区
};

// 需要在类外初始化，否则编译器会报错，尤其是函数引用到该值时
const int A::static_var = 10; // 全局区

constexpr: 是 编译期 常量(还包含表达式 )，必须在编译期就能计算出来；但它可能会被编译期给优化成一个立即数(取决于编译器)
- 全局变量：可能只在编译期存在
c++ 复制代码
```
constexpr int global_var = 10; 
```
- 局部变量：可能被编译器优化成一个立即数
c++ 复制代码
```
void func()
{
  constexpr int local_expr = 100;

  int array[local_expr]; 
}
```

常见场景：

对数组进行初始化:

c++ 复制代码

int main()
{
  const int arr_size = 10;

  int arr[arr_size];        // 报错，因为arr_size在编译期无法确定
                            // 如果想要const修饰的变量通过，那么得让它分配得内存，在编译期就能通过

  constexpr int arr_size_expr = 10;
  int arr[arr_size_expr]; // 正确

  return 0;
}

switch的case标签：

c++ 复制代码

const int red = 1;

switch(color){
  case red:     //  报错，因为red在编译期无法确定
                //  即便加上 sattic关键字，也不行

  case 1:       //  正确
    // ...
}


constexpr int red_expr = 1;
switch(color){
  case red_expr: // 正确
    // ...
}

替换宏定义：

c++ 复制代码

#define squre(x) { return x * x; }    //不推荐

constexpr int squre_expr(int x) { return x * x; } // 推荐
float array[squre_expr(3)]; // 正确

三、小结：

constexpr是C++11引入的，用于定义编译期常量。它不仅可以修饰变量，还可以修饰表达式，并且要求该表达式在编译时就能计算出来。相比之下，const关键字主要用于修饰变量，并且在运行时也可能存在（取决于变量的存储位置）。
大部分场景推荐使用constexpr，因为它提供了更严格的约束和更好的性能。