1. constexpr：常量表達(dá)式

所謂常量表達(dá)式,指的就是由多個(gè)(≥1)常量組成的表達(dá)式。換句話(huà)說(shuō),如果表達(dá)式中的成員都是常量,那么該表達(dá)式就是一個(gè)常量表達(dá)式。這也意味著，常量表達(dá)式一旦確定，其值將無(wú)法修改。

實(shí)際開(kāi)發(fā)中，我們經(jīng)常會(huì)用到常量表達(dá)式。以定義數(shù)組為例，數(shù)組的長(zhǎng)度就必須是一個(gè)常量表達(dá)式：

// 1)
int url[10];//正確
// 2)
int url[6 + 4];//正確
// 3)
int length = 6;
int url[length];//錯(cuò)誤，length是變量

上述代碼演示了 3 種定義 url 數(shù)組的方式，其中第 1、2 種定義 url 數(shù)組時(shí)，長(zhǎng)度分別為 10 和 6+4，顯然它們都是常量表達(dá)式，可以用于表示數(shù)組的長(zhǎng)度；第 3 種 url 數(shù)組的長(zhǎng)度為 length，它是變量而非常量，因此不是一個(gè)常量表達(dá)式，無(wú)法用于表示數(shù)組的長(zhǎng)度。

常量表達(dá)式的應(yīng)用場(chǎng)景還有很多，比如匿名枚舉、switch-case 結(jié)構(gòu)中的 case 表達(dá)式等，感興趣的讀者可自行編碼測(cè)試，這里不再過(guò)多舉例。

我們知道，C++ 程序的執(zhí)行過(guò)程大致要經(jīng)歷編譯、鏈接、運(yùn)行這 3 個(gè)階段。值得一提的是，常量表達(dá)式和非常量表達(dá)式的計(jì)算時(shí)機(jī)不同，非常量表達(dá)式只能在程序運(yùn)行階段計(jì)算出結(jié)果；而常量表達(dá)式的計(jì)算往往發(fā)生在程序的編譯階段，這可以極大提高程序的執(zhí)行效率，因?yàn)楸磉_(dá)式只需要在編譯階段計(jì)算一次，節(jié)省了每次程序運(yùn)行時(shí)都需要計(jì)算一次的時(shí)間。

對(duì)于用 C++ 編寫(xiě)的程序，性能往往是永恒的追求。那么在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，如何才能判定一個(gè)表達(dá)式是否為常量表達(dá)式，進(jìn)而獲得在編譯階段即可執(zhí)行的“特權(quán)”呢？除了人為判定外，C++11 標(biāo)準(zhǔn)還提供有 constexpr 關(guān)鍵字。

constexpr 關(guān)鍵字的功能是使指定的常量表達(dá)式獲得在程序編譯階段計(jì)算出結(jié)果的能力，而不必等到程序運(yùn)行階段。C++ 11 標(biāo)準(zhǔn)中，constexpr 可用于修飾普通變量、函數(shù)（包括模板函數(shù)）以及類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)。

注意：獲得在編譯階段計(jì)算出結(jié)果的能力，并不代表 constexpr修飾的表達(dá)式一定會(huì)在程序編譯階段被執(zhí)行，具體的計(jì)算時(shí)機(jī)還是編譯器說(shuō)了算。

1.1 constexpr修飾普通變量

C++11 標(biāo)準(zhǔn)中，定義變量時(shí)可以用constexpr 修飾，從而使該變量獲得在編譯階段即可計(jì)算出結(jié)果的能力。

注意：使用 constexpr 修改普通變量時(shí)，變量必須經(jīng)過(guò)初始化且初始值必須是一個(gè)常量表達(dá)式。舉個(gè)例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    constexpr int num = 1 + 2 + 3;
    int url[num] = {1,2,3,4,5,6};
    couts<< url[1] << endl;
    return 0;
}

程序執(zhí)行結(jié)果為：

2

讀者可嘗試將 constexpr 刪除，此時(shí)編譯器會(huì)提示“url[num] 定義中 num 不可用作常量”。

可以看到，程序第 6 行使用 constexpr 修飾 num 變量，同時(shí)將 “1+2+3” 這個(gè)常量表達(dá)式賦值給 num。由此，編譯器就可以在編譯時(shí)期對(duì) num 這個(gè)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)?num 可以作為定義數(shù)組時(shí)的長(zhǎng)度。

有讀者可能發(fā)現(xiàn)，將此示例程序中的 constexpr 用const關(guān)鍵字替換也可以正常執(zhí)行，這是因?yàn)?num 的定義同時(shí)滿(mǎn)足“num 是 const 常量且使用常量表達(dá)式為其初始化”這 2 個(gè)條件，由此編譯器會(huì)認(rèn)定 num 是一個(gè)常量表達(dá)式。

另外需要重點(diǎn)提出的是，當(dāng)常量表達(dá)式中包含浮點(diǎn)數(shù)時(shí)，考慮到程序編譯和運(yùn)行所在的系統(tǒng)環(huán)境可能不同，常量表達(dá)式在編譯階段和運(yùn)行階段計(jì)算出的結(jié)果精度很可能會(huì)受到影響，因此 C++11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，浮點(diǎn)常量表達(dá)式在編譯階段計(jì)算的精度要至少等于（或者高于）運(yùn)行階段計(jì)算出的精度。

1.2 constexpr修飾函數(shù)

constexpr 還可以用于修飾函數(shù)的返回值，這樣的函數(shù)又稱(chēng)為“常量表達(dá)式函數(shù)”。

注意，constexpr 并非可以修改任意函數(shù)的返回值。換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)函數(shù)要想成為常量表達(dá)式函數(shù)，必須滿(mǎn)足如下 4 個(gè)條件：
1) 該函數(shù)必須有返回值，即函數(shù)的返回值類(lèi)型不能是 void。
舉個(gè)例子：

constexpr void display() {
    //函數(shù)體
}

像上面這樣定義的返回值類(lèi)型為 void 的函數(shù)，不屬于常量表達(dá)式函數(shù)。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)橥ㄟ^(guò)類(lèi)似的函數(shù)根本無(wú)法獲得一個(gè)常量。
2) 整個(gè)函數(shù)的函數(shù)體中，除了可以包含 using 指令、typedef 語(yǔ)句以及 static_assert 斷言外，只能包含一條 return 返回語(yǔ)句。
舉個(gè)例子：

constexpr int display(int x) {
   int ret = 1 + 2 + x;
   return ret;
}

注意，這個(gè)函數(shù)是無(wú)法通過(guò)編譯的，因?yàn)樵摵瘮?shù)的返回值用 constexpr 修飾，但函數(shù)內(nèi)部包含多條語(yǔ)句。
如下是正確的定義 display() 常量表達(dá)式函數(shù)的寫(xiě)法：

constexpr int display(int x) {
    //可以添加 using 執(zhí)行、typedef 語(yǔ)句以及 static_assert 斷言
    return 1 + 2 + x;
}

可以看到，display() 函數(shù)的返回值是用 constexpr 修飾的 int 類(lèi)型值，且該函數(shù)的函數(shù)體中只包含一個(gè)return語(yǔ)句。
3)return 返回的表達(dá)式必須是常量表達(dá)式。
舉個(gè)例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int num = 3;
constexpr int display(int x){
    return num + x;
}
int main()
{
    //調(diào)用常量表達(dá)式函數(shù)
    int a[display(3)] = { 1,2,3,4 };
    return 0;
}

該程序無(wú)法通過(guò)編譯，編譯器報(bào)“display(3) 的結(jié)果不是常量”的異常。

常量表達(dá)式函數(shù)的返回值必須是常量表達(dá)式的原因很簡(jiǎn)單，如果想在程序編譯階段獲得某個(gè)函數(shù)返回的常量，則該函數(shù)的 return 語(yǔ)句中就不能包含程序運(yùn)行階段才能確定值的變量。

注意，在常量表達(dá)式函數(shù)的 return 語(yǔ)句中，不能包含賦值的操作（例如 return x=1 在常量表達(dá)式函數(shù)中不允許的）。另外，用 constexpr 修改函數(shù)時(shí)，函數(shù)本身也是支持遞歸的，感興趣的讀者可自行嘗試編碼測(cè)試。

4) 函數(shù)在使用之前，必須有對(duì)應(yīng)的定義語(yǔ)句。我們知道，函數(shù)的使用分為“聲明”和“定義”兩部分，普通的函數(shù)調(diào)用只需要提前寫(xiě)好該函數(shù)的聲明部分即可（函數(shù)的定義部分可以放在調(diào)用位置之后甚至其它文件中），但常量表達(dá)式函數(shù)在使用前，必須要有該函數(shù)的定義。
舉個(gè)例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//普通函數(shù)的聲明
int noconst_dis(int x);
//常量表達(dá)式函數(shù)的聲明
constexpr int display(int x);
//常量表達(dá)式函數(shù)的定義
constexpr int display(int x){
    return 1 + 2 + x;
}
int main()
{
    //調(diào)用常量表達(dá)式函數(shù)
    int a[display(3)] = { 1,2,3,4 };
    cout << a[2] << endl;
    //調(diào)用普通函數(shù)
    cout << noconst_dis(3) << endl;
    return 0;
}
//普通函數(shù)的定義
int noconst_dis(int x) {
    return 1 + 2 + x;
}

程序執(zhí)行結(jié)果為：

3
6

讀者可自行將 display() 常量表達(dá)式函數(shù)的定義調(diào)整到 main() 函數(shù)之后，查看編譯器的報(bào)錯(cuò)信息?？梢钥吹?，普通函數(shù)在調(diào)用時(shí)，只需要保證調(diào)用位置之前有相應(yīng)的聲明即可；而常量表達(dá)式函數(shù)則不同，調(diào)用位置之前必須要有該函數(shù)的定義，否則會(huì)導(dǎo)致程序編譯失敗。

1.3 constexpr修飾類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)

對(duì)于 C++ 內(nèi)置類(lèi)型的數(shù)據(jù)，可以直接用 constexpr 修飾，但如果是自定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型（用 struct 或者 class 實(shí)現(xiàn)），直接用 constexpr 修飾是不行的。

舉個(gè)例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定義類(lèi)型的定義
constexpr struct myType {
    const char* name;
    int age;
    //其它結(jié)構(gòu)體成員
};
int main()
{
    constexpr struct myType mt{ "zhangsan", 10 };
    cout << mt.name << " " << mt.age << endl;
    return 0;
}

此程序是無(wú)法通過(guò)編譯的，編譯器會(huì)拋出“constexpr不能修飾自定義類(lèi)型”的異常。

當(dāng)我們想自定義一個(gè)可產(chǎn)生常量的類(lèi)型時(shí)，正確的做法是在該類(lèi)型的內(nèi)部添加一個(gè)常量構(gòu)造函數(shù)。例如，修改上面的錯(cuò)誤示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定義類(lèi)型的定義
struct myType {
    constexpr myType(char *name,int age):name(name),age(age){};
    const char* name;
    int age;
    //其它結(jié)構(gòu)體成員
};
int main()
{
    constexpr struct myType mt { "zhangsan", 10 };
    cout << mt.name << " " << mt.age << endl;
    return 0;
}

程序執(zhí)行結(jié)果為：

zhangsan 10

可以看到，在 myType 結(jié)構(gòu)體中自定義有一個(gè)構(gòu)造函數(shù)，借助此函數(shù)，用 constexpr 修飾的 myType 類(lèi)型的mt常量即可通過(guò)編譯。

注意，constexpr 修飾類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，要求該構(gòu)造函數(shù)的函數(shù)體必須為空，且采用初始化列表的方式為各個(gè)成員賦值時(shí)，必須使用常量表達(dá)式。

前面提到，constexpr 可用于修飾函數(shù)，而類(lèi)中的成員方法完全可以看做是“位于類(lèi)這個(gè)命名空間中的函數(shù)”，所以 constexpr 也可以修飾類(lèi)中的成員函數(shù)，只不過(guò)此函數(shù)必須滿(mǎn)足前面提到的 4 個(gè)條件。

舉個(gè)例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定義類(lèi)型的定義
class myType {
public:
    constexpr myType(const char *name,int age):name(name),age(age){};
    constexpr const char * getname(){
        return name;
    }
    constexpr int getage(){
        return age;
    }
private:
    const char* name;
    int age;
    //其它結(jié)構(gòu)體成員
};
int main()
{
    constexpr struct myType mt { "zhangsan", 10 };
    constexpr const char * name = mt.getname();
    constexpr int age = mt.getage();
    cout << name << " " << age << endl;
    return 0;
}

程序執(zhí)行結(jié)果為：

zhangsan 10

注意，C++11 標(biāo)準(zhǔn)中，不支持用 constexpr 修飾帶有 virtual 的成員方法。

1.4 constexpr修飾模板函數(shù)

C++11 語(yǔ)法中，constexpr 可以修飾模板函數(shù)，但由于模板中類(lèi)型的不確定性，因此模板函數(shù)實(shí)例化后的函數(shù)是否符合常量表達(dá)式函數(shù)的要求也是不確定的。

針對(duì)這種情況下，C++11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果 constexpr 修飾的模板函數(shù)實(shí)例化結(jié)果不滿(mǎn)足常量表達(dá)式函數(shù)的要求，則 constexpr 會(huì)被自動(dòng)忽略，即該函數(shù)就等同于一個(gè)普通函數(shù)。

舉個(gè)例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定義類(lèi)型的定義
struct myType {
    const char* name;
    int age;
    //其它結(jié)構(gòu)體成員
};
//模板函數(shù)
template<typename T>
constexpr T dispaly(T t){
    return t;
}
int main()
{
    struct myType stu{"zhangsan",10};
    //普通函數(shù)
    struct myType ret = dispaly(stu);
    cout << ret.name << " " << ret.age << endl;
    //常量表達(dá)式函數(shù)
    constexpr int ret1 = dispaly(10);
    cout << ret1 << endl;
    return 0;
}

程序執(zhí)行結(jié)果為：

zhangsan 10
10

可以看到，示例程序中定義了一個(gè)模板函數(shù) display()，但由于其返回值類(lèi)型未定，因此在實(shí)例化之前無(wú)法判斷其是否符合常量表達(dá)式函數(shù)的要求.

2. const與constexpr區(qū)別：

一些讀者在學(xué)習(xí)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)把 const 和 constexpr 搞混，不知道什么時(shí)候用 const，什么時(shí)候用 constexpr。本節(jié)就帶領(lǐng)大家對(duì) const 和 constexpr 做系統(tǒng)地區(qū)分。

有關(guān) constexpr 的功能和用法，您可以閱讀《C++11 constexpr》一節(jié)。

我們知道，constexpr 是 C++ 11 標(biāo)準(zhǔn)新添加的關(guān)鍵字，在此之前（C++ 98/03標(biāo)準(zhǔn)）只有const關(guān)鍵字，其在實(shí)際使用中經(jīng)常會(huì)表現(xiàn)出兩種不同的語(yǔ)義。舉個(gè)例子：

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;
void dis_1(const int x){
    //錯(cuò)誤，x是只讀的變量
    array <int,x> myarr{1,2,3,4,5};
    cout << myarr[1] << endl;
}
void dis_2(){
    const int x = 5;
    array <int,x> myarr{1,2,3,4,5};
    cout << myarr[1] << endl;
}
int main()
{
   dis_1(5);
   dis_2();
}

可以看到，dis_1() 和 dis_2() 函數(shù)中都包含一個(gè) const int x，但 dis_1() 函數(shù)中的 x 無(wú)法完成初始化 array 容器的任務(wù)，而 dis_2() 函數(shù)中的 x 卻可以。

這是因?yàn)椋?code>dis_1() 函數(shù)中的“const int x”只是想強(qiáng)調(diào) x 是一個(gè)只讀的變量，其本質(zhì)仍為變量，無(wú)法用來(lái)初始化 array 容器；而 dis_2() 函數(shù)中的“const int x”，表明 x 是一個(gè)只讀變量的同時(shí)，x 還是一個(gè)值為 5 的常量，所以可以用來(lái)初始化array容器。

C++ 11標(biāo)準(zhǔn)中，為了解決const關(guān)鍵字的雙重語(yǔ)義問(wèn)題，保留了const表示“只讀”的語(yǔ)義，而將“常量”的語(yǔ)義劃分給了新添加的 constexpr 關(guān)鍵字。因此 C++11 標(biāo)準(zhǔn)中，建議將const和 constexpr 的功能區(qū)分開(kāi)，即凡是表達(dá)“只讀”語(yǔ)義的場(chǎng)景都使用 const，表達(dá)“常量”語(yǔ)義的場(chǎng)景都使用 constexpr。

在上面的實(shí)例程序中，dis_2() 函數(shù)中使用 const int x 是不規(guī)范的，應(yīng)使用 constexpr 關(guān)鍵字。

有讀者可能會(huì)問(wèn)，“只讀”不就意味著其不能被修改嗎？答案是否定的，“只讀”和“不允許被修改”之間并沒(méi)有必然的聯(lián)系，舉個(gè)例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 10;
    const int & con_b = a;
    cout << con_b << endl;
    a = 20;
    cout << con_b << endl;
}

程序執(zhí)行結(jié)果為：

10
20

可以看到，程序中用 const 修飾了 con_b 變量，表示該變量“只讀”，即無(wú)法通過(guò)變量自身去修改自己的值。但這并不意味著 con_b 的值不能借助其它變量間接改變，通過(guò)改變 a 的值就可以使con_b的值發(fā)生變化。
在大部分實(shí)際場(chǎng)景中，const 和 constexpr 是可以混用的，例如：

const int a = 5 + 4;
constexpr int a = 5 + 4;

它們是完全等價(jià)的，都可以在程序的編譯階段計(jì)算出結(jié)果。但在某些場(chǎng)景中，必須明確使用 constexpr，例如：

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;
constexpr int sqr1(int arg){
    return arg*arg;
}
const int sqr2(int arg){
    return arg*arg;
}
int main()
{
    array<int,sqr1(10)> mylist1;//可以，因?yàn)閟qr1時(shí)constexpr函數(shù)
    array<int,sqr2(10)> mylist1;//不可以，因?yàn)閟qr2不是constexpr函數(shù)
    return 0;
}

其中，因?yàn)?code> sqr2() 函數(shù)的返回值僅有const修飾，而沒(méi)有用更明確的 constexpr 修飾，導(dǎo)致其無(wú)法用于初始化 array 容器（只有常量才能初始化array容器）。

總的來(lái)說(shuō)在 C++ 11 標(biāo)準(zhǔn)中，const 用于為修飾的變量添加“只讀”屬性；而 constexpr 關(guān)鍵字則用于指明其后是一個(gè)常量（或者常量表達(dá)式），編譯器在編譯程序時(shí)可以順帶將其結(jié)果計(jì)算出來(lái)，而無(wú)需等到程序運(yùn)行階段，這樣的優(yōu)化極大地提高了程序的執(zhí)行效率。

參考資料： https://blog.csdn.net/lemonxiaoxiao/article/details/128344695

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