3.18 constexpr函数

constexpr函数是C++11及以后标准的核心特性，核心作用是让函数能在「编译阶段」计算出结果（而非运行阶段），从而提升程序性能、增强代码安全性，还能用于要求"编译期常量"的场景。

一、先搞懂核心概念：编译期计算 vs 运行期计算

普通函数 ：调用时在程序「运行阶段」计算结果（比如运行时才执行add(3,5)得到8）；
constexpr函数 ：满足条件时，编译器会在「编译阶段」直接算出结果（比如编译时就把add(3,5)替换成8），运行时无需计算。

可以把constexpr函数想象成"编译器能执行的函数"------只要输入是编译期常量，结果就提前算好，运行时直接用结果，省掉计算开销。

二、constexpr函数的核心用途（按重要性排序）

提升程序性能：编译期计算，避免运行时开销

对于需要反复调用、逻辑简单的函数（比如数学计算、常量推导），constexpr能把计算提前到编译阶段，运行时直接用结果，尤其适合高频调用的场景。

示例：普通函数 vs constexpr函数

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

// 普通函数：运行时计算
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// constexpr函数：编译期计算（输入为常量时）
constexpr int constexpr_add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    // 1. 普通函数：运行时计算3+5
    int res1 = add(3, 5); 
    // 2. constexpr函数：编译时就算出8，运行时直接赋值
    constexpr int res2 = constexpr_add(3, 5); 
    cout << res1 << " " << res2 << endl; // 输出8 8
    return 0;
}

反编译能看到：res2的赋值直接是8，没有函数调用指令；res1则有函数调用的指令。

用于"编译期常量场景"（必须用编译期值的地方）

C++中有些场景要求"值必须是编译期常量"（比如数组大小、模板参数、枚举值），普通函数的返回值无法满足，但constexpr函数可以。

示例：用constexpr函数定义数组大小

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

// 计算数组大小的constexpr函数
constexpr int get_arr_size(int n) {
    return n * 2;
}

int main() {
    // 1. 错误：普通函数的返回值是运行时的，不能定义数组大小
    // int size = add(3,2);
    // int arr1[size]; // 编译报错（非编译期常量）

    // 2. 正确：constexpr函数返回编译期常量，可定义数组大小
    constexpr int arr_size = get_arr_size(3); // 编译期算出6
    int arr2[arr_size] = {1,2,3,4,5,6}; // 合法，数组大小是6
    cout << "数组大小：" << sizeof(arr2)/sizeof(int) << endl; // 输出6
    return 0;
}

增强代码安全性：编译期检查错误

如果constexpr函数的输入是常量，但逻辑有问题（比如除以0），编译器会直接报错，而不是运行时崩溃，能提前发现问题。

示例：编译期检查错误

cpp 复制代码

constexpr int div(int a, int b) {
    return a / b; // 除法逻辑
}

int main() {
    // 编译时报错：division by zero（除以0）
    // constexpr int res = div(10, 0); 
    return 0;
}

普通函数调用div(10,0)会在运行时崩溃，而constexpr函数直接在编译期暴露问题。

兼容运行时调用：灵活度高

constexpr函数并非"只能编译期执行"------如果输入是运行时变量（比如用户输入的值），它会退化成普通函数，在运行时计算，不影响使用。

示例：兼容运行时调用

cpp 复制代码

constexpr int mul(int a, int b) {
    return a * b;
}

int main() {
    int x, y;
    cin >> x >> y; // 运行时输入（变量）
    // 此时mul退化成普通函数，运行时计算x*y
    int res = mul(x, y); 
    cout << res << endl;
    return 0;
}

三、constexpr函数的使用条件（关键限制）

要让constexpr函数能在编译期计算，必须满足：

函数体足够简单（C++11只允许1条return语句；C++14及以后支持循环、分支等）；
输入参数必须是编译期常量（否则退化成运行时计算）；
返回值必须能在编译期确定。

总结

核心用途	具体价值
编译期计算	提升性能，避免运行时重复计算
支持编译期常量场景	可用于数组大小、模板参数等要求"编译期值"的地方
编译期错误检查	提前发现逻辑错误（如除以0），增强代码安全性
兼容运行时调用	输入是变量时退化成普通函数，灵活度不损失

简单来说，constexpr函数的核心是"把能提前算的都在编译期算完"------既提升性能，又保证安全，是C++中优化常量计算的核心工具。

3.18.1 constexpr与const的区别

constexpr和const的核心区别------这两个关键词都和"不可修改"有关，但作用场景、生效时机完全不同：

一、核心区别总览

对比维度	`const`	`constexpr`
核心语义	「只读」：变量/对象不能被修改	「编译期常量」：值在编译期确定
生效时机	运行期（修饰变量）/编译期（修饰常量）	编译期（函数/变量均在编译期确定）
适用对象	变量、函数参数、类成员等	函数、变量、表达式等
能否参与编译期计算	仅`const`常量（如`const int a=5`）可以，`const`变量（如`const int a=x`）不行	只要满足条件，必然参与编译期计算

二、分场景详细对比

修饰变量：const变量 vs constexpr变量

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 10; // 运行时变量

    // const变量：
    const int a = 5;       // 「编译期常量」：值是字面量，不可修改
    const int b = x;       // 「运行时只读变量」：值是运行时变量，不可修改，但编译期不确定

    // constexpr变量：
    constexpr int c = 5;   // 「编译期常量」：值必须在编译期确定
    // constexpr int d = x; // 编译报错：x是运行时变量，无法在编译期确定值

    // 关键差异：能否用于「编译期常量场景」
    int arr1[a]; // 合法（a是const编译期常量）
    // int arr2[b]; // 编译报错（b是const运行时变量，无法确定数组大小）
    int arr3[c]; // 合法（c是constexpr编译期常量）
    return 0;
}

const变量分两种：若初始化值是字面量/编译期常量 ，则是编译期常量；若初始化值是运行时变量，则是"运行时只读变量"（无法参与编译期计算）；
constexpr变量必须是编译期常量，初始化值必须能在编译期确定，否则直接报错。

修饰函数：const函数 vs constexpr函数

cpp 复制代码

// const函数（仅用于类成员函数）：
class A {
public:
    int val = 5;
    // const成员函数：保证函数内不修改类成员变量（运行期约束）
    int get_val() const {
        // val = 10; // 编译报错：const函数不能修改成员变量
        return val;
    }
};

// constexpr函数：
// 编译期计算的函数（输入是编译期常量时，结果在编译期确定）
constexpr int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    A obj;
    cout << obj.get_val() << endl; // 运行时调用const成员函数

    constexpr int res = add(3,5); // 编译期计算出8
    cout << res << endl;
    return 0;
}

const函数仅用于类成员函数，作用是"保证函数内不修改类成员"（运行期的只读约束）；
constexpr函数是"编译期可执行的函数"，核心是计算时机提前，和"是否修改数据"无关。

参与编译期计算的能力

cpp 复制代码

// const的局限性：
const int m = 5;       // 编译期常量，可参与编译期计算
const int n = m + 3;   // 编译期计算出8（m是编译期常量）
int y = 2;
const int p = y + 3;   // 运行时变量（y是运行时输入），无法参与编译期计算

// constexpr的优势：
constexpr int q = 5;
constexpr int r = q + 3; // 编译期计算出8
constexpr int s = add(2,3); // 调用constexpr函数，编译期计算出5

const只有"初始化值是编译期常量"时，才能参与编译期计算；
constexpr只要满足条件，必然在编译期计算，没有例外。

三、一句话总结区别

const是"运行期的只读保护"：告诉你"这个东西不能改"，但不一定知道它的值是多少；
constexpr是"编译期的确定值"：告诉你"这个东西的值在编译期就定了，不仅不能改，还能提前用"。

简单来说：

若只想"禁止修改"，用const；
若想"让值在编译期确定，参与编译期计算"，用constexpr。