关于常量表达式(constexpr)

首先,常量表达式的概念:在编译期就可以计算出结果的表达式
那么为什么要用常量表达式呢,用常量表达式会有什么好处:
1.允许一些计算只在编译时进行一次,而不是每次程序运行时;
2.编译器可以进行尺度更大的优化;
3.可以用在需求编译期间常量的上下文,例如数组长度等;

使用constexpr修饰变量时:

const 变量的初始化可以延迟到运行时,而 constexpr 变量必须在编译时进行初始化。
所有constexpr对象都是const的,但是不是所有的const对象都是constexpr的。

使用constexpr修饰函数时:

constexpr函数限制持有和返回的类型为字面值类型(literal type),本质上就是一些在编译期间可确定值的类型。在C++中,除了void之外的内置类型都是字面值类型,不过用户定义的类型也有可能是字面值类型,因为构造函数和其他成员函数可能是constexpr的;
如果实参都是常量表达式的话,那么它可以在编译时产生返回值;
其它情况下,常量表达式函数跟普通函数一样,只有在运行时才能被调用,产生返回值;

对constexpr函数的基本要求:

  1. 常量表达式函数必须有返回值(不可以是void函数)
  2. 常量表达式函数体中只能有一条语句,且该语句必须是return语句。(可以使用?:、递归)但不产生实际代码的语句可以在常量表达式函数中使用,如static_assert,using,typedef等(这条规定在C++14中大幅放松)
  3. return语句中,不能使用非常量表达式的变量、函数,且return的表达式也要是常量表达式
  4. 常量表达式函数在使用前,必须有定义。(普通函数在被调用前只要有函数声明就够了,不一定有定义)

常量构造函数的要求:

  1. 成员变量只能通过初始化列表来初始化,函数体必须为空
  2. 初始化列表只能由常量表达式来赋值

常量成员函数的要求:

  1. 常量成员函数被隐式定义为const成员函数,不可以通过常量成员函数去修改成员变量。也就是说,常量成员函数往往是所谓的getter函数。(c++14则不同,允许constexpr成员函数去修改成员变量)
  2. 常量成员函数不能是virtual的

在C++11与C++14的区别:
在C++11标准中,对于constexpr修饰的函数给了及其苛刻的限定条件:函数的返回值类型及所有形参的类型都是字面值类型,而且函数体内必须有且只有一条return语句。
这个条件显然是太苛刻了,以至于很多在constexpr的操作都要借助?:表达式,递归等办法实现。
在C++14中,放宽了这一限定,只保留了“函数的返回值类型及所有形参的类型都是字面值类型”,也就是说,这些值都在编译期能确定了就行。

constexpr与const的本质区别

const主要用于表达“对接口的写权限控制”,即“对于被const修饰的量名(例如const指针变量),不得通过它对所指对象作任何修改”。(但是可以通过其他接口修改该对象)。另外,把对象声明为const也为编译器提供了潜在的优化可能。具体来说就是,如果把一个量声明为const,并且没有其他地方对该量作取址运算,那么编译器通常(取决于编译期实现)会用该量的实际常量值直接替换掉代码中所有引用该量的地方,而不用在最终编译结果中生成对该量的存取指令。
constexpr的主要功能则是让更多的运算可以在编译期完成,并能保证表达式在语义上是类型安全的。(译注:相比之下,C语言中#define只能提供简单的文本替换,而不具任何类型检查能力)。与const相比,被constexpr修饰的对象则强制要求其初始化表达式能够在编译期完成计算。之后所有引用该常量对象的地方,若非必要,一律用计算出来的常量值替换。

能否同时使用constexpr与const?

对于变量来讲,一般情况下constexpr已经包含了const的语义,所以没必要同时使用;但是也有特殊情况:

static constexpr int N = 3;
int main()
{
  constexpr const int *NP = &N;
  return 0;
}

在这里const和constexpr在修饰不同的东西,constexpr和const都必须要有。constexpr表示NP指针本身是常量表达式,而const表示指向的值是一个常量。去掉const之后无法编译,因为不能用正常指针指向常量。
对于成员函数来讲,在C++11中constexpr同样包含const的含义,但是C++14中则不,所以C++14中可能会需要同时使用const与constexpr。

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