F.3 — Constexpr 函数（第 3 部分）和 consteval

强制 constexpr 函数在编译时求值

目前没有办法告诉编译器 constexpr 函数应该尽可能在编译时求值（例如，在 constexpr 函数的返回值用于非常量表达式的情况下）。

然而，我们可以通过确保返回值在需要常量表达式的地方使用，来强制一个有资格在编译时求值的 constexpr 函数在编译时实际求值。这需要针对每个调用进行操作。

最常见的方法是使用返回值初始化一个 constexpr 变量（这就是为什么我们在之前的例子中一直使用变量“g”）。不幸的是，这需要在我们的程序中引入一个新变量，仅仅是为了确保编译时求值，这很丑陋并降低了代码可读性。

然而，在 C++20 中，有一个更好的解决方法，我们稍后将介绍。

Consteval C++20

C++20 引入了关键字 consteval，用于指示函数必须在编译时求值，否则将导致编译错误。此类函数称为立即函数。

#include <iostream>

consteval int greater(int x, int y) // function is now consteval
{
    return (x > y ? x : y);
}

int main()
{
    constexpr int g { greater(5, 6) };              // ok: will evaluate at compile-time
    std::cout << g << '\n';

    std::cout << greater(5, 6) << " is greater!\n"; // ok: will evaluate at compile-time

    int x{ 5 }; // not constexpr
    std::cout << greater(x, 6) << " is greater!\n"; // error: consteval functions must evaluate at compile-time

    return 0;
}

在上面的例子中，对 greater() 的前两个调用将在编译时求值。对 greater(x, 6) 的调用无法在编译时求值，因此将导致编译错误。

也许令人惊讶的是，consteval 函数的参数不是 constexpr（尽管 consteval 函数只能在编译时求值）。此决定是为了保持一致性。

确定 constexpr 函数调用是在编译时还是运行时求值

C++ 目前没有提供任何可靠的机制来做到这一点。

那么 std::is_constant_evaluated 或 if consteval 呢？ 高级

这些功能都不能告诉您函数调用是在编译时还是运行时求值。

std::is_constant_evaluated()（定义在 头文件中）返回一个 bool 值，指示当前函数是否在常量求值上下文中执行。常量求值上下文（也称为常量上下文）被定义为需要常量表达式的上下文（例如 constexpr 变量的初始化）。因此，在编译器需要编译时求值常量表达式的情况下，std::is_constant_evaluated() 将按预期返回 true。

这旨在允许您执行以下操作

#include <type_traits> // for std::is_constant_evaluated()

constexpr int someFunction()
{
    if (std::is_constant_evaluated()) // if evaluating in constant context
        doSomething();
    else
        doSomethingElse();
}

然而，编译器也可能选择在不需要常量表达式的上下文中在编译时求值 constexpr 函数。在这种情况下，即使函数确实在编译时求值，std::is_constant_evaluated() 也将返回 false。因此，std::is_constant_evaluated() 真正的含义是“编译器被强制在编译时求值此表达式”，而不是“此表达式正在编译时求值”。

C++23 中引入的 if consteval 是 if (std::is_constant_evaluated()) 的替代品，它提供了更简洁的语法并修复了一些其他问题。然而，它的求值方式是相同的。

使用 consteval 使 constexpr 在编译时执行 C++20

consteval 函数的缺点是它们无法在运行时求值，这使得它们不如 constexpr 函数灵活，后者可以执行两者。因此，仍然需要一种便捷的方法来强制 constexpr 函数在编译时求值（即使返回值在不需要常量表达式的地方使用），以便我们可以在可能的情况下明确强制编译时求值，并在不可能的情况下进行运行时求值。

这是一个展示如何实现这一点的示例

#include <iostream>

#define CONSTEVAL(...) [] consteval { return __VA_ARGS__; }()               // C++20 version per Jan Scultke (https://stackoverflow.com/a/77107431/460250)
#define CONSTEVAL11(...) [] { constexpr auto _ = __VA_ARGS__; return _; }() // C++11 version per Justin (https://stackoverflow.com/a/63637573/460250)

// This function returns the greater of the two numbers if executing in a constant context
// and the lesser of the two numbers otherwise
constexpr int compare(int x, int y) // function is constexpr
{
    if (std::is_constant_evaluated())
        return (x > y ? x : y);
    else
        return (x < y ? x : y);
}

int main()
{
    int x { 5 };
    std::cout << compare(x, 6) << '\n';                  // will execute at runtime and return 5

    std::cout << compare(5, 6) << '\n';                  // may or may not execute at compile-time, but will always return 5
    std::cout << CONSTEVAL(compare(5, 6)) << '\n';       // will always execute at compile-time and return 6
    

    return 0;
}

以下方法也应该有效（并且更简洁，因为它不使用预处理器宏）

#include <iostream>

// Uses abbreviated function template (C++20) and `auto` return type to make this function work with any type of value
// See 'related content' box below for more info (you don't need to know how these work to use this function)
// We've opted to use an uppercase name here for consistency with the prior example, but it also makes it easier to see the call
consteval auto CONSTEVAL(auto value)
{
    return value;
}

// This function returns the greater of the two numbers if executing in a constant context
// and the lesser of the two numbers otherwise
constexpr int compare(int x, int y) // function is constexpr
{
    if (std::is_constant_evaluated())
        return (x > y ? x : y);
    else
        return (x < y ? x : y);
}

int main()
{
    std::cout << CONSTEVAL(compare(5, 6)) << '\n';       // will execute at compile-time

    return 0;
}

因为 consteval 函数的参数总是明显地进行常量求值，所以如果我们将 constexpr 函数作为 consteval 函数的参数调用，那么该 constexpr 函数必须在编译时求值！然后 consteval 函数将 constexpr 函数的结果作为其自己的返回值返回，以便调用者可以使用它。

请注意，consteval 函数按值返回。虽然这在运行时可能效率低下（如果该值是某种复制成本高昂的类型，例如 std::string），但在编译时上下文中，这无关紧要，因为对 consteval 函数的整个调用将简单地替换为计算出的返回值。