F.1 — Constexpr 函数

在课程5.6 -- Constexpr 变量中，我们介绍了constexpr关键字，我们用它来创建编译时（符号）常量。我们还介绍了常量表达式，即可以在编译时而不是运行时求值的表达式。

常量表达式的一个挑战是，在常量表达式中不允许调用普通函数。这意味着我们不能在需要常量表达式的任何地方使用此类函数调用。

考虑以下程序

#include <iostream>

int main()
{
    constexpr double radius { 3.0 };
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    constexpr double circumference { 2.0 * radius * pi };
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

这会产生结果

Our circle has circumference 18.8496

为circumference提供复杂的初始化式并不好（并且需要我们实例化两个支持变量，radius和pi）。所以我们把它变成一个函数。

#include <iostream>

double calcCircumference(double radius)
{
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    return 2.0 * pi * radius;
}

int main()
{
    constexpr double circumference { calcCircumference(3.0) }; // compile error
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

这段代码更简洁。它也无法编译。Constexpr 变量circumference要求其初始化式是一个常量表达式，而调用calcCircumference()不是一个常量表达式。

在这个特定的例子中，我们可以将circumference设置为非 constexpr，程序就能编译。虽然我们会失去常量表达式的好处，但至少程序会运行。

然而，在 C++ 中还有其他情况（我们将来会介绍），我们没有可用的替代选项，只有常量表达式才能奏效。在这些情况下，我们确实希望能够使用函数，但对普通函数的调用就是不起作用。那么我们该怎么办呢？

Constexpr 函数可以在常量表达式中使用

constexpr 函数是允许在常量表达式中调用的函数。

要将函数设为 constexpr 函数，我们只需在函数返回类型前使用constexpr关键字。

以下是与上面相同的示例，但使用了 constexpr 函数

#include <iostream>

constexpr double calcCircumference(double radius) // now a constexpr function
{
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    return 2.0 * pi * radius;
}

int main()
{
    constexpr double circumference { calcCircumference(3.0) }; // now compiles
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

因为calcCircumference()现在是一个 constexpr 函数，所以它可以在常量表达式中使用，例如circumference的初始化式。

Constexpr 函数可以在编译时求值

在课程5.5 -- 常量表达式中，我们注意到在需要常量表达式的上下文中（例如 constexpr 变量的初始化），要求常量表达式在编译时求值。如果所需的常量表达式包含 constexpr 函数调用，则该 constexpr 函数调用必须在编译时求值。

在我们的示例中，变量circumference是 constexpr 类型，因此需要一个常量表达式初始化式。由于calcCircumference()是这个必需常量表达式的一部分，所以calcCircumference()必须在编译时求值。

当函数调用在编译时求值时，编译器将在编译时计算函数调用的返回值，然后用返回值替换函数调用。

因此，在我们的示例中，对calcCircumference(3.0)的调用被函数调用的结果替换，即18.8496。换句话说，编译器将编译这个

#include <iostream>

constexpr double calcCircumference(double radius)
{
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    return 2.0 * pi * radius;
}

int main()
{
    constexpr double circumference { 18.8496 };
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

要在编译时求值，还需要满足另外两个条件

• 对 constexpr 函数的调用必须具有在编译时已知（例如是常量表达式）的参数。
• constexpr 函数中的所有语句和表达式都必须在编译时可求值。

当 constexpr（或 consteval）函数在编译时进行求值时，它调用的任何其他函数都要求在编译时求值（否则初始函数将无法在编译时返回结果）。

Constexpr 函数也可以在运行时求值

Constexpr 函数也可以在运行时求值，在这种情况下它们将返回一个非 constexpr 结果。例如

#include <iostream>

constexpr int greater(int x, int y)
{
    return (x > y ? x : y);
}

int main()
{
    int x{ 5 }; // not constexpr
    int y{ 6 }; // not constexpr

    std::cout << greater(x, y) << " is greater!\n"; // will be evaluated at runtime

    return 0;
}

在此示例中，由于参数x和y不是常量表达式，因此函数无法在编译时解析。但是，该函数仍将在运行时解析，将预期值作为非 constexpr int返回。

再提醒我一次，我们为什么关心函数在编译时执行？

现在是回顾编译时编程技术所能带来的好处的好时机：5.5 -- 常量表达式。