constexpr - 技术栈

博主介绍：程序喵大人

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关于编译期动作，有必要介绍下 constexpr。

在这之前有必要简单提一下 constexpr 与 const 的关系，两者字面上都表达常量的意思。主要的区别是：const 修饰的变量可以在运行时才初始化，而 constexpr 则一定会在编译期初始化。constexpr 才是名副其实的常量，所有的 constexpr 都是 const。而 const 表示的是 read only 的语义，保证修饰的变量运行时不可以更改，如果直接改动它，编译器在编译时会报错。const 修饰的变量可以在运行时才初始化，而 constexpr 则一定会在编译期初始化。

有人可能会用指针等骚操作来修改 const 修饰的变量值，这种情况下，CPP 标准规定产生的是未定义行为，具体可能不同编译器的具体行为会不相同。所以骚操作魔改 const 后，无论产生什么行为，都没必要奇怪，也没必要深究。

下面具体介绍下 constexpr。如上所述，constexpr 修饰的才是真正的常量，它会在编译期间计算出来，整个运行过程中都不可被改变。

constexpr 还可用于修饰函数，这个函数的返回值会尽可能在编译期间被计算出来，然后作为一个常量，但是如果编译期间不能被计算出，此函数就是被当作一个普通函数处理。

如何使用 constexpr？这里我直接贴出 cppreference 中的示例代码：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <stdexcept>

// C++11 constexpr functions use recursion rather than iteration
// (C++14 constexpr functions may use local variables and loops)
constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

// literal class
class conststr {
    const char* p;
    std::size_t sz;
public:
    template <std::size_t N>
    constexpr conststr(const char (&a)[N]) : p(a), sz(N - 1) {}

    // constexpr functions signal errors by throwing exceptions
    // in C++11, they must do so from the conditional operator ?:
    constexpr char operator[](std::size_t n) const {
        return n < sz ? p[n] : throw std::out_of_range("");
    }

    constexpr std::size_t size() const { return sz; }
};

// C++11 constexpr functions had to put everything in a single return statement
// (C++14 doesn't have that requirement)
constexpr std::size_t countlower(conststr s, std::size_t n = 0, std::size_t c = 0) {
    return n == s.size() ? c :
        'a' <= s[n] && s[n] <= 'z'
        ? countlower(s, n + 1, c + 1)
        : countlower(s, n + 1, c);
}

// output function that requires a compile-time constant, for testing
template <int n>
struct constN {
    constN() { std::cout << n << '\n'; }
};

int main() {
    std::cout << "4! = ";
    constN<factorial(4)> out1;  // computed at compile time

    volatile int k = 8; // disallow optimization using volatile
    std::cout << k << "! = " << factorial(k) << '\n';  // computed at run time

    std::cout << "the number of lowercase letters in \"Hello, world!\" is ";
    constN<countlower("Hello, world!")> out2;  // implicitly converted to conststr
}

可以大体观察到 constexpr 的语法如下：

复制代码

constexpr literal-type identifier = constant-expression ;
constexpr literal-type identifier { constant-expression } ;
constexpr literal-type identifier ( params ) ;
constexpr ctor ( params ) ;

通过示例代码及相关注释，就可以看到，能在编译期做 constexpr 就会优先在编译期计算，编译期不行就在运行时计算。

也可以看到，在 C++14 之前 constexpr 修饰函数时不能有 if-else、for 循环等语句，而在 C++14 后，这个问题有了改善。

那什么情况下应该使用 constexpr 修饰函数？不在乎编译时间的话，尽可能用 constexpr 修饰所有的函数，大家有时间可以看看 cpp 的源码，多数成员函数都是使用的 constexpr 修饰。

思考题：constexpr 有一个条件是需要满足 literal type，那 literal type 究竟是什么类型？

参考资料
https://en.cppreference.com/w/cpp/language/constexpr

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