5.6 — Constexpr 变量

在上一课 5.5 -- 常量表达式中，我们定义了什么是常量表达式，讨论了为什么常量表达式是理想的，并总结了常量表达式何时真正在编译时进行求值。

在本课中，我们将仔细研究如何在现代 C++ 中创建可用于常量表达式的变量。我们还将探索确保代码真正在编译时执行的第一种方法。

编译时 const 挑战

在上一课中，我们提到创建可用于常量表达式的变量的一种方法是使用 const 关键字。具有整型类型和常量表达式初始化的 const 变量可用于常量表达式。所有其他 const 变量都不能用于常量表达式。

然而，使用 const 创建可用于常量表达式的变量存在一些挑战。

首先，使用 const 并不能立即清楚变量是否可用于常量表达式。在某些情况下，我们可以相当容易地弄清楚

int a { 5 };       // not const at all
const int b { a }; // clearly not a constant expression (since initializer is non-const)
const int c { 5 }; // clearly a constant expression (since initializer is a constant expression)

在其他情况下，这可能相当困难

const int d { someVar };    // not obvious whether d is usable in a constant expression or not
const int e { getValue() }; // not obvious whether e is usable in a constant expression or not

在上面的示例中，变量 d 和 e 可能可用于也可能不可用于常量表达式，具体取决于 someVar 和 getValue() 的定义方式。这意味着我们必须检查这些初始化器的定义，并推断出我们所处的情况。这甚至可能不够——如果 someVar 是 const 并用变量或函数调用初始化，我们还需要检查其初始化器的定义！

其次，使用 const 无法通知编译器我们需要一个可用于常量表达式的变量（如果不是，则应停止编译）。相反，它只会静默创建一个只能用于运行时表达式的变量。

第三，使用 const 创建编译时常量变量不适用于非整型变量。在许多情况下，我们也希望非整型变量是编译时常量。

constexpr 关键字

幸运的是，我们可以借助编译器的帮助来确保我们在需要时获得编译时常量变量。为此，我们在变量声明中Instead of const，我们使用 constexpr 关键字（“constant expression”的缩写）。**constexpr** 变量始终是编译时常量。因此，constexpr 变量必须用常量表达式初始化，否则将导致编译错误。

例如

#include <iostream>

// The return value of a non-constexpr function is not constexpr
int five()
{
    return 5;
}

int main()
{
    constexpr double gravity { 9.8 }; // ok: 9.8 is a constant expression
    constexpr int sum { 4 + 5 };      // ok: 4 + 5 is a constant expression
    constexpr int something { sum };  // ok: sum is a constant expression

    std::cout << "Enter your age: ";
    int age{};
    std::cin >> age;

    constexpr int myAge { age };      // compile error: age is not a constant expression
    constexpr int f { five() };       // compile error: return value of five() is not constexpr

    return 0;
}

由于函数通常在运行时执行，因此函数的返回值不是 constexpr（即使返回表达式是常量表达式）。这就是为什么 five() 对于 constexpr int f 不是合法的初始化值。

此外，constexpr 适用于非整型变量

constexpr double d { 1.2 }; // d can be used in constant expressions!

const 与 constexpr 对变量的含义

对于变量

• const 意味着对象的值在初始化后不能更改。初始化器值可以在编译时或运行时已知。const 对象可以在运行时求值。
• constexpr 意味着对象可以在常量表达式中使用。初始化器值必须在编译时已知。constexpr 对象可以在运行时或编译时求值。

Constexpr 变量是隐式 const。Const 变量不是隐式 constexpr（除了带有常量表达式初始化的 const 整型变量）。尽管变量可以同时定义为 constexpr 和 const，但在大多数情况下这是冗余的，我们只需要使用 const 或 constexpr。

与 const 不同，constexpr 不是对象类型的一部分。因此，定义为 constexpr int 的变量实际上具有类型 const int（由于 constexpr 为对象提供的隐式 const）。

int arr[5]; // an array of 5 int values, length of 5 is known at compile-time

const int arrLen = 5;
int arr[arrLen]; // ok: array of 5 ints

Const 和 constexpr 函数参数

正常的函数调用在运行时求值，提供的参数用于初始化函数参数。由于函数参数的初始化发生在运行时，这导致了两个结果

1. const 函数参数被视为运行时常量（即使提供的参数是编译时常量）。
2. 函数参数不能声明为 constexpr，因为它们的初始化值直到运行时才确定。

术语回顾

constexpr 函数简介

**constexpr 函数** 是可以在常量表达式中调用的函数。当 constexpr 函数所属的常量表达式必须在编译时求值时（例如，在 constexpr 变量的初始化器中），它必须在编译时求值。否则，constexpr 函数可以在编译时（如果符合条件）或运行时求值。要符合编译时执行的条件，所有参数都必须是常量表达式。

要创建 constexpr 函数，constexpr 关键字放在函数声明中的返回类型之前

#include <iostream>

int max(int x, int y) // this is a non-constexpr function
{
    if (x > y)
        return x;
    else
        return y;
}

constexpr int cmax(int x, int y) // this is a constexpr function
{
    if (x > y)
        return x;
    else
        return y;
}

int main()
{
    int m1 { max(5, 6) };            // ok
    const int m2 { max(5, 6) };      // ok
    constexpr int m3 { max(5, 6) };  // compile error: max(5, 6) not a constant expression

    int m4 { cmax(5, 6) };           // ok: may evaluate at compile-time or runtime
    const int m5 { cmax(5, 6) };     // ok: may evaluate at compile-time or runtime
    constexpr int m6 { cmax(5, 6) }; // okay: must evaluate at compile-time

    return 0;
}