跟我学C++中级篇——对类const关键字的分析说明

一、说明

前面多篇文章分析了常量的各种用法以及在新标准中的各种扩展。到目前为止，可以发现有几个长得差不多的关键字：从早期的const到C++11中的constexpr直到C++20中的consteval和constinit。这些长得类似的const有什么区别和联系呢？下面就对它们的具体应用进行分析和说明。

二、对比和分析

针对上面的这些长得差不多关键字，主要有以下的不同：

const
它是在C++中传统，const主要用来控制运行时对变量和表达式的只读性的控制。目的在于保护相关数据的安全性并进行接口的约束。其约束的变量可以根据时机在编译期或运行期进行求值
constexpr
C++11中引入的constexpr，用于在编译期的计算，也就是编译期求值，同时对变量和表达式的只读性控制。可以将运行期的计算转到编译期的计算和常量表达式的处理，当然，也支持运行期的处理
consteval
作为C++20引入的constexpr，主要用于立即函数处理，即它只能修饰函数，它修饰的函数及相关调用及相关求值都强制要求必须在编译期完成
constinit
constinit也是C++20引入的，它只能用于对静态或线程局部变量进行"常量初始化"（constant initialization）即编译期完成初始化。否则，会报编译错误。需要注意的是，它只能是初始化，完成后，这个变量是可以再次修改的即这个变量不是常量。

三、应用场景和限制分析

在了解上它们四个关键字的情况后，就可以根据其特点来确定其应用场景：

编译期计算
需要在编译期计算的场景下，可以使用constexpr和consteval，这样，就可以把运行时的开销转移到编译期。另外在模板和元编程中这两个关键字也是经常使用的
接口约束和数据只读
在与旧代码兼容以及需要接口的常量化控制，并且只是需要对数据常量化的处理时，可以考虑使用const。当然，很多情况下也可以使用constexpr
强制常量初始化
在前面也提到过，在C++库中的全局（静态）变量调用时可能会产生初始化顺序的问题，从而产生意想不到的问题。而如果使用constinit则可以避免相关变量动态初始化，从而保证变量的依赖安全性。此外在全局配置处理、跨编译单元的变量以及线程局部存储等场景下都可以应用

虽然constinit无法限制变量的常量性，但它却也不允许联合使用const和constexpr来限制变量的常量性（只读性）。而const和constexpr则可以联合使用，不过是一种冗余的应用，没有什么实际意义。

四、例程

下面看一下具体的例程的对比：

c 复制代码

//下面代码来自 cppreference
//constexpr
constexpr int f(); 
constexpr bool b1 = noexcept(f()); // false, undefined constexpr function
constexpr int f() { return 0; }
constexpr bool b2 = noexcept(f()); // true, f() is a constant expression
//consteval
consteval int sqr(int n)
{
    return n*n;
}
constexpr int r = sqr(100); // OK
 
int x = 100;
int r2 = sqr(x);            // Error: Call does not produce a constant
 
consteval int sqrsqr(int n)
{
    return sqr(sqr(n));     // Not a constant expression at this point, but OK
}
 
constexpr int dblsqr(int n)
{
    return 2 * sqr(n);      // Error: Enclosing function is not consteval
                            // and sqr(n) is not a constant
}
//constinit
const char* g() { return "dynamic initialization"; }
constexpr const char* f(bool p) { return p ? "constant initializer" : g(); }
 
constinit const char* c = f(true);     // OK
// constinit const char* d = f(false); // error

代码很简单，重点是对比一下。下面再看一个综合的应用：

c 复制代码

#include <mutex>
#include <string>

int BASE_V = 0;
class Demo {
public:
  //  constexpr
  static constexpr double PI = 3.14;

  // consteval
  template <typename T> consteval static T ratioPI(T t) { return t * PI; }

  // constexpr-运行和编译期均可用
  template <typename T> constexpr static T less(T min, T max) { return min < max; }

  // const
  template <typename T> static const auto &get(const T &t) { return BASE_V > t ? BASE_V : 1; }
};

class ControlMsg {
public:
  void addmsg(const std::string &msg) {
    std::lock_guard lock(mutex_);
    msg_.append(msg);
  }

private:
  std::string msg_ = "";
  std::mutex mutex_;
};

// constinit
constinit ControlMsg msg;

// 使用示例
int main() {
  // 编译时
  constexpr double nPI = Demo::ratioPI(3.0);
  static_assert(nPI > Demo::PI && nPI < 5 * Demo::PI);

  // 运行时
  auto status = Demo::less(3, 5);

  //常量初始化
  msg.addmsg("Application started");

  return 0;
}

五、总结

有对比才有差距，才好掌握这四个关键字各自的特点和应用的场景。在实际应用的过程中，要根据实际情况来有针对性使用这些关键字。特别需要注意C++标准的版本不同的情况下，应用方式的不同。这样才能够编写出安全、高效的C++代码。