C++11/C++14中constexpr的使用

常量表達式(const expression)是指值不會改變并且在編譯過程中就能得到計算結果的表達式。字面值屬于常量表達式，用常量表達式初始化的const對象也是常量表達式。

只要有可能使用constexpr，就使用它。

(資料圖片僅供參考)

C++11中constexpr的使用：

constexpr是C++11中添加的一個特性，其主要思想是通過在編譯時而不是運行時進行計算來提高程序的性能，將時間花在編譯上，而在運行時節省時間(類似于模版元編程)。

C++11規定，允許將變量聲明為constexpr類型以便由編譯器來驗證變量的值是否是一個常量表達式。聲明為constexpr的變量一定是一個常量，而且必須用常量表達式初始化。

盡管不能使用普通函數作為constexpr變量的初始值，但C++11標準允許定義一種特殊的constexpr函數。這種函數應該足夠簡單以使得編譯時就可以計算其結果，這樣就能用constexpr函數去初始化constexpr變量了。

一般來說，如果你認定變量是一個常量表達式，那就把它聲明成constexpr類型。

所有constexpr對象都是const對象，而并非所有的const對象都是constexpr對象。如果你想讓編譯器提供保證，讓變量擁有一個值，用于要求編譯期常量的語境，那么能達到這個目的的工具是constexpr，而非const。

constexpr函數是指能用于常量表達式的函數。定義constexpr函數的方法與其它函數類似，不過要遵循幾項約定：函數的返回類型及所有形參的類型都得是字面值類型，而且函數體中必須有且只有一條return語句。constexpr函數或構造函數被隱式地指定為內聯函數。

constexpr函數體內也可以包含其它語句，只要這些語句在運行時不執行任何操作就行。例如，constexpr函數中可以有空語句、類型別名以及using聲明。

允許constexpr函數的返回值并非一個常量。constexpr函數不一定返回常量表達式。

和其它函數不一樣，內聯函數和constexpr函數可以在程序中多次定義。不過，對于某個給定的內聯函數或者constexpr函數來說，它的多個定義必須完全一致。基于這個原因，內聯函數和constexpr函數通常定義在頭文件中。

constexpr函數只能調用其它constexpr函數，不能調用簡單函數(simple function)。constexpr函數不應該是void類型。constexpr函數中不允許有前綴增量(++i),在C++14中已刪除此限制。

constexpr函數的理解：

(1).constexpr函數可以用在要求編譯期常量的語境中。在這樣的語境中，若你傳給一個constexpr函數的實參值是在編譯期已知的，則結果也會在編譯期間計算出來。如果任何一個實參值在編譯期未知，則你的代碼將無法通過編譯。

(2).在調用constexpr函數時，若傳入的值有一個或多個在編譯期未知，則它的運作方式和普通函數無異，亦即它也是在運行期執行結果的計算。這意味著，如果函數執行的是同樣的操作，僅僅應用的語境一個是要求編譯期常量的，一個是用于所有其它值的話，那就不必寫兩個函數。constexpr函數就可以同時滿足所有需求。

constexpr函數僅限于傳入和返回字面類型(literal type)，意思就是這樣的類型能夠持有編譯期可以決議的值。在C++11中，所有的內建類型，除了void，都符合這個條件。但是用戶自定義類型同樣可能也是字面類型，因為它的構造函數和其它成員函數可能也是constexpr函數。

在C++11中，constexpr函數都隱式地被聲明為const。

以下為測試代碼：

namespace {// constexpr function: constexpr函數被隱式地指定為內聯函數constexpr int new_sz() { return 42; }constexpr size_t scale(size_t cnt) { return new_sz() * cnt; }constexpr int product(int x, int y) { return (x * y); }// pow前面寫的那個constexpr并不表明pow要返回一個const值,它表明的是如果base和exp是編譯期常量,pow的返回結果// 就可以當一個編譯期常量使用;如果base和exp中有一個不是編譯期常量,則pow的返回結果就將在執行期計算constexpr int pow(int base, int exp) noexcept{return (exp == 0 ? 1 : base * pow(base, exp - 1));}} // namespaceint test_constexpr_1(){// constexpr variablesconstexpr int mf = 20; // 20 is a constant expressionconstexpr int limit = mf + 1; // mf + 1 is a constant expressionconstexpr int foo = new_sz(); // foo is a constant expressionstd::cout << "foo:" << foo << "\n"; // foo:42// 當scale的實參是常量表達式時,它的返回值也是常量表達式;反之則不然int arr[scale(2)]; // okint i = 2;//int a2[scale(i)]; // error: scale(i)不是常量表達式size_t value = scale(i); // ok,constexpr函數不一定返回常量表達式std::cout << "value:" << value << "\n"; // value:84int sz = 1;//constexpr auto array_size = sz; // error, sz的值在編譯期未知const auto array_size1 = sz; // ok, array_size1是sz的一個const副本int arr2[product(2, 3)] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };std::cout << "arr2[5]:" << arr2[5] << "\n"; // arr2[5]:6return 0;}

constexpr構造函數：盡管構造函數不能是const的，但是字面值常量類的構造函數可以是constexpr函數。事實上，一個字面值常量類必須至少提供一個constexpr構造函數。

constexpr構造函數可以聲明成=default的形式(或者是刪除函數的形式=delete)。否則，constexpr構造函數就必須既符合構造函數的要求(意味著不能包含返回語句)，又符合constexpr函數的要求(意味著它能擁有的唯一可執行語句就是返回語句)。綜合這兩點可知，constexpr構造函數體一般來說應該是空的。我們通過前置關鍵字constexpr就可以聲明一個constexpr構造函數了。

constexpr構造函數必須初始化所有數據成員，初始值或者使用constexpr構造函數，或者是一條常量表達式。

constexpr構造函數用于生成constexpr對象以及constexpr函數的參數或返回類型。

以下為測試代碼：

namespace {class Debug {public:// constexpr構造函數必須初始化所有數據成員constexpr Debug(bool b = true) noexcept : hw_(b), io_(b), other_(b) {}constexpr Debug(bool h, bool i, bool o) noexcept : hw_(h), io_(i), other_(o) {}constexpr bool any() const noexcept { return hw_ || io_ || other_; }constexpr bool get_hw() const noexcept { return hw_; }constexpr bool get_io() const noexcept { return io_; }constexpr bool get_other() const noexcept { return other_; }void set_hw(bool b) noexcept { hw_ = b; }void set_io(bool b) noexcept { io_ = b; }void set_other(bool b) noexcept { other_ = b; }//constexpr void set_hw(bool b) noexcept { hw_ = b; } // C++14//constexpr void set_io(bool b) noexcept { io_ = b; }//constexpr void set_other(bool b) noexcept { other_ = b; }private:bool hw_, io_, other_;};constexpr Debug hw_debug(const Debug& d1, const Debug& d2) noexcept{return d1.get_hw() && d2.get_hw(); // 調用constexpr成員函數}} // namespaceint test_constexpr_2(){constexpr Debug debug(false, true, false);if (debug.any())std::cout << "any true" << std::endl; // will outputif (debug.get_io())std::cout << "get_io true" << "\n"; // will outputconstexpr Debug prod(false);if (prod.any())std::cout << "any true" << std::endl; // will not outputconstexpr auto hw = hw_debug(debug, prod); // 使用constexpr函數的結果來初始化constexpr對象std::cout << "hw:" << hw.get_hw() << "\n"; // hw:0return 0;}

注：以上內容主要整理自：《C++ Primer Fifth Edition》、《Effective Modern C++》

C++14中constexpr的使用：

在C++11中，constexpr函數只能包含一組非常有限的語法，包括但不限于：typedefs、using和一條返回語句。在C++14中，允許的語法集大大擴展，包括最常見的語法，如if語句、多次返回、while或for循環等。

以下為測試代碼：

namespace {// C++14 constexpr functions may use local variables and loopsconstexpr int pow2(int base, int exp) noexcept{auto result = 1;for (int i = 0; i < exp; ++i) result *= base;return result;}constexpr unsigned int factorial(unsigned int n) {if (n <= 1)return 1;elsereturn n * factorial(n - 1);}} // namespaceint test_constexpr_14_1(){constexpr auto value = pow2(2, 4);std::cout << "pow2 value:" << value << "\n"; // pow2 value:16constexpr auto value2 = factorial(5);std::cout << "factorial value:" << value2 << "\n"; // factorial value:120return 0;}

執行結果如下：

GitHub：https://github.com/fengbingchun/Messy_Test

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