C++知識整理系列（三）—— constexpr常量表達式

• const修飾常量，但是const并未區分編譯時常量和運作時常量，而constexpr則隻能是編譯時常量，在C++11中提出。
• 這篇文章，将詳細講解constexpr。

目錄

• 一、常量表達式
• 二、constexpr變量
• • 三、constexpr函數
  • 四、字面值類型
• 五、指針和constexpr
• 六、字面值常量類
• 參考

一、常量表達式

常量表達式（const expression）：指值不會改變并且在編譯階段過程就能得到計算結果的表達式。

以下兩種是常量表達式：

const int maxSize = 10;
const int limit = maxSize + 1;
           

以下兩種不是常量表達式：

int staff_size = 27;
const int sz = get_size();
           

• staff_size的初始值雖然是個字面值常量，但它的資料類型隻是普通的int而非const int，還是可以被重新指派的，是以不是常量表達式。
• sz本身是一個常量，但它的具體值直到運作時才能擷取到，是以也不是常量表達式。

二、constexpr變量

在一個複雜系統中，很難分辨一個初始值到底是不是常量表達式。從前面的例子可以發現，即使變量加上const，但是指派是在運作時确定的也不是常量表達式。

C++11新标準規定，允許将變量聲明為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。
• 必須用常量表達式初始化。

constexpr int mf = 20;					//20是常量表達式
constexpr int limit = mf + 1;			//mf + 1是常量表達式
constexpr int sz = size();				//隻有當size是一個constexpr函數時才是一條正确的聲明語句
           

size()函數也需要constexpr修飾，成為constexpr函數。

三、constexpr函數

constexpr函數指能用于常量表達式的函數。定義constexpr函數有幾項約定：

• 函數的傳回值類型及所有的類型都得是字面值類型。
• 函數體中必須有且隻有一條return語句。

constexpr int new_sz() { return 40; }
constexpr int foo = new_sz();		//正确：foo是一個常量表達式
           

因為編譯器能在程式編譯時驗證new_sz函數傳回的是常量表達式，是以可以用new_sz函數初始化constexpr類型的變量foo。

（1）執行初始化任務時，編譯器把對constexpr函數的調用替換成其結果值。為了能在編譯過程中随時展開，constexpr函數被隐式地指定為内聯函數。

（2）constexpr函數體内也可以包含其他語句，隻要這些語句在運作時不執行任何操作就行。例如，constexpr函數中可以有空語句、類型别名、using聲明。

（3）constexpr函數的傳回值可以不是一個常量：

//cnt如果是常量表達式，傳回值就是常量表達式
constexpr size_t scale(size_t cnt) { return new_sz() * cnt; }
           

比如，下面兩個例子：

int arr[scale(2)];			//正确：scale(2)是常量表達式
int i = 3;
int a[scale(i)];			//錯誤：scale(i)不是常量表達式
           

• 給scale傳入字面值為2的常量表達式時，它的傳回類型也是常量表達式。此時編譯器用對應的結果值（80）替換為對scale函數的調用。
• 當我們用一個非常量表達式調用scale函數時，比如

  int i = 3

  的對象i，傳回值則不是一個常量表達式。當把scale函數用在需要常量表達式的上下文中時，編譯器發現不是常量表達式，發出錯誤資訊。

（4）constexpr函數通常定義在頭檔案中。因為編譯器要想展開函數不僅需要函數聲明還需要函數定義，而constexpr函數可以在程式中多次定義，但多個定義必須完全一緻。

四、字面值類型

常量表達式的值需要在編譯時就得到計算，是以對聲明constexpr時用到的類型必須有所限制。因為這些類型一般比較簡單，值也顯而易見、容易得到，稱之為"字面值類型"（literal type）。

字面值類型包括：算數類型、引用、指針，自定義類、string等類型不是字面值類型，也就不能定義成constexpr。

盡管指針和引用都能定義成constexpr，但它們的初始值卻受到嚴格限制。一個constexpr指針的初始值必須是

nullptr

或者

，或者是存儲在某個固定位址中的對象。

函數體内定義的變量一般來說并非存放在固定位址中，是以constexpr指針不能指向這樣的變量。相反的，定義在函數體之外的對象位址固定不變，能用來初始化constexpr指針。

五、指針和constexpr

（1）如果在constexpr聲明中定義了一個指針，限定符constexpr僅對指針有效，與指針所指的對象無關。

const int *p = nullptr;					//p是一個指向整數常量的指針
constexpr int *q = nullptr;				//q是一個指向整數的常量指針
           

q是一個常量指針，因為constexpr把它所定義的對象置為了頂層const。類似于：

int *const q = nullptr;

（2）與其他常量指針類似，constexpr指針即可以指向常量也可以指向一個非常量：

constexpr int *np = nullptr;			//np是一個指向整數的常量指針，其值為空
int j = 0;
constexpr int i = 40;					//i的類型是整數常量
//假設i和j都定義在函數體之外
constexpr const int *p = &i;			//p是常量指針，指向整型常量i
constexpr int *p1 = &j;					//p1是常量指針，指向整數j
           

六、字面值常量類

constexpr函數的參數和傳回值必須是字面值類型。注意，函數的傳回值必須是字面值類型，但可以不是一個常量。

和其他類不同，字面值類型的類可能含有constexpr函數成員。這樣的成員必須符合constexpr函數的所有要求，它們是隐式const。

字面值常量類：資料成員都是字面值類型的聚合類。如果一個類不是聚合類，但它符合下述要求，則它也是一個字面值常量類：

• 資料成員都必須是字面值類型。
• 類必須至少含有一個constexpr構造函數。
• 如果一個資料成員含有類内初始值，這内置類型成員的初始值必須是一條常量表達式；如果成員屬于某種類類型，這初始值必須使用成員自己的constexpr構造函數。
• 類必須使用析構函數的預設定義，該成員負責銷毀類的對象。

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。一個字面值常量類必須至少提供一個constexpr構造函數。

參考

• C++ Primer

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