一文總結 C++ 常量表達式、constexpr 和 const

TLDR

1. 修飾變數的時候，可以把 constexpr 對象當作加強版的 const 對象：const 對象表明值不會改變，但不一定能夠在編譯期取得結果；constexpr 對象不僅值不會改變，而且保證能夠在編譯期取得結果。如果一個 const 變數能夠在編譯期求值，將其改為 constexpr 能夠讓代碼更清晰易讀。
2. constexpr 函數可以把運行期計算遷移至編譯期，使得程式運行更快（但會增加編譯時間）。但如果 constexpr 函數中存在無法在編譯期求值的參數，則 constexpr 函數和普通一樣在運行時求值，此時的返回值不是常量表達式。

1. 常量表達式和 constexpr

C++11 中引入了 constexpr 關鍵字。constexpr 是 const expression 的縮寫，即常量表達式。

常量表達式是指值不會改變且編譯期可以得到結果的表達式。

1.1 特點

1. 值不會改變（這一點和普通 const 一樣）
2. 編譯期就能得到結果！（普通 const 不一定保證）

1.2 使用場景

C++ 在一些場景下必須使用常量表達式，比如：

• 數組大小
• 整型模板實參（如 std::array<T, N> 的長度參數 N）
• switch-case 中的 case 標簽
• 枚舉量的值
• 對齊規格

1.3 常見的常量表達式

1. 字面值（如 42）
2. 用常量表達式初始化的 const 對象

一個對象（或表達式）是否是常量表達式取決於類型和初始值，如：

int i1 = 42;           // i1 不是常量表達式：初始值 42 是字面值，但 i1 不是 const 類型
const int i2 = i1;     // i2 不是常量表達式：初始值 i1 不是常量表達式
const int i3 = 42;     // i3 是常量表達式：用字面值 42 初始化的 const 對象
const int i4 = i3 + 1; // i4 是常量表達式：用常量表達式 i3 + 1 初始化的 const 對象
const int i5 = getValue(); // 如果 getValue() 是普通函數，則 i5 值要到運行時才能確定，則不是常量表達式

1.4 constexpr 變數

上面的例子可以看出，不能直接判斷一個 const 對象是否是常量表達式：例如 i4 是否是常量表達式取決於 i3 是否是常量表達式，而 i4 又可能用來初始化其他常量表達式。在複雜的系統中，很難一眼看出某個 const 對象是否是常量表達式。

C++11 允許把變數聲明為 constexpr 類型，此時編譯器會保證 constexpr 變數是常量表達式（否則編譯報錯）。換句話說，只要看到 constexpr 類型的變數，則一定能夠在編譯期取得結果，可以用在需要常量表達式的場景。

int i1 = 42;
constexpr int i2 = i1; // constexpr 變數 'i2' 必須由常量表達式初始化。不允許在常量表達式中讀取非 const 變數 'i1'
constexpr int i3 = 42; // i3 是常量表達式
constexpr int i4 = i3 + 1; // i4 是常量表達式
constexpr int i5 = getValue(); // 只有 getValue() 是 constexpr 函數時才可以，否則編譯報錯

1.5 constexpr 函數

constexpr 函數是指能用於常量表達式的函數。

需要強調的是，constexpr 函數既能用於要求常量表達式/編譯期常量的語境，也可以作為普通函數使用。

註意：constexpr 函數不一定返回常量表達式！

只有 constexpr 的所有實參都是常量表達式/編譯期常量時，constexpr 函數的結果才是常量表達式/編譯期常量。只要有一個參數在編譯期未知，那就和普通函數一樣，在運行時計算。

constexpr int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

constexpr int i1 = 42;
constexpr int i2 = sum(i1, 52); // 所有參數都是常量表達式，sum 的結果也是常量表達式，在編譯期求值

int AddThree(int i) {
  return sum(i, 3); // i 不是常量表達式，此時 sum 作為普通函數使用
}

為了能保證 constexpr 函數在編譯時能隨時展開計算，constexpr 函數隱式內聯。內聯函數和 constexpr 函數不同於其他函數，允許定義多次，但要保證所有的定義一致。正因如此，內聯函數和 constexpr 函數一般定義在頭文件中。

constexpr 限制

因為需要在編譯期求值，所以 constexpr 函數有一些限制：返回類型和所有形參的類型必須是字面值類型（literal type）。除了內置類型，用戶自定義的類也可以是字面值類型，因為它的構造函數和成員函數也可以是 constexpr 函數。

C++11 中 constexpr 函數還有一些額外限制（C++14 沒有這些限制）：

• 返回值類型不能是 void
• 函數體內只能有且只有一條 return 語句（但可以用 ? : 三目運算符和遞歸）
• 如果是類的成員函數，則為隱式 const 成員函數

1.6 使用 constexpr 的好處

1. 編譯器可以保證 constexpr 對象是常量表達式（能夠在編譯期取得結果），而 const 對象不能保證。如果一個 const 變數能夠在編譯期求值，將其改為 constexpr 能夠讓代碼更清晰易讀
2. constexpr 函數可以把運行期計算遷移至編譯期，使得程式運行更快（但會增加編譯時間）

對於常量表達式（編譯期值已知），編譯器可以進行更多優化，比如放到只讀記憶體中。但這並不是 constexpr 特有的，有的 const 變數也是常量表達式

1.7 小結

1. 修飾對象的時候，可以把 constexpr 當作加強版的 const：const 對象只表明值不會改變，不一定能夠在編譯期取得結果；constexpr 對象不僅值不會改變，而且保證能夠在編譯期取得結果
2. constexpr 函數既可以用於編譯期計算，也可以作為普通函數在運行期使用

擴展閱讀

• 《C++ Primer 第五版》p58，p214，p267

• 《Effective Modern C++》條款 15：只要有可能使用 constexpr，就使用它