现代C++之constexpr
现代C++之constexpr
现代C++之constexpr
constexpr在 C++11 引入、在 C++14 得到大幅改进。
（1）C++11中的constexpr指定的函数返回值和参数必须要保证是字面值，而且必须只有一行return代码，这给函数的设计者带来了更多的限制，比如通常只能通过return 三目运算符+递归来计算返回的字面值。
（2）C++14中只要保证返回值和参数是字面值就行了，函数体中可以加入更多的语句，方便了更灵活的计算。
它的字面意思是 constant expression，常量表达式。
1.变量
const与constexpr可以应用到变量和函数。尽管它们彼此相似，但实际上它们是非常不同的概念。
const与constexpr意味着他们的值不能在初始化后改变。因此，例如：
const int x1=10;
constexpr int x2=10;
x1=20; // ERROR. Variable 'x1' can't be changed.
x2=20; // ERROR. Variable 'x2' can't be changed.
const和constexpr之间的主要区别是初始化值的时间(求值)。尽管const变量的值可以在编译时和运行时，但constexpr始终在编译时进行求值。例如：
int temp=rand(); // temp is generated by the the random generator at runtime.
const int x1=10; // OK - known at compile time.
const int x2=temp; // OK - known only at runtime.
constexpr int x3=10; // OK - known at compile time.
constexpr int x4=temp; // ERROR. Compiler can't figure out the value of 'temp' variable at compile time so `constexpr` can't be applied here.
知道在编译时还是运行时知道该值的主要优点是，只要需要编译时间常数，就可以使用编译时间常数。例如，C ++不允许您使用可变长度指定C数组：
int temp=rand(); // temp is generated by the the random generator at runtime.
int array1[10]; // OK.
int array2[temp]; // ERROR.
因此，这意味着：
const int size1=10; // OK - value known at compile time.
const int size2=temp; // OK - value known only at runtime.
constexpr int size3=10; // OK - value known at compile time.
int array3[size1]; // OK - size is known at compile time.
int array4[size2]; // ERROR - size is known only at runtime time.
int array5[size3]; // OK - size is known at compile time.
因此，const变量既可以定义编译时常量(比如size1)来指定数组大小，也可以定义运行时常量(比如size2)来定义数组大小。另一方面，constexpr总是定义可以指定数组大小的编译时常量。
2.函数
const和constexpr也可以应用于函数。const函数必须是成员函数（方法，运算符），其中const关键字的应用意味着该方法无法更改其成员（非静态）字段的值。例如。
class test
{
int x;
void function1()
{
x=100; // OK.
}
void function2() const
{
x=100; // ERROR. The const methods can't change the values of object fields.
}
};
constexpr是一个不同的概念。如果将编译时常量作为参数传递，则它将一个函数（成员或非成员）标记为可以在编译时求值的函数。例如，您可以编写此代码。
constexpr int func_constexpr(int X, int Y)
{
return(X*Y);
}
int func(int X, int Y)
{
return(X*Y);
}
int array1[func_constexpr(10,20)]; // OK - func_constexpr() can be evaluated at compile time.
int array2[func(10,20)]; // ERROR - func() is not a constexpr function.
int array3[func_constexpr(10,rand())]; // ERROR - even though func_constexpr() is the 'constexpr' function, the expression 'constexpr(10,rand())' can't be evaluated at compile time.
顺便说一下，这些constexpr函数是常规C ++函数，即使传递了非常量参数也可以调用它们。但是在这种情况下，您将获得非constexpr值。
int value1=func_constexpr(10,rand()); // OK. value1 is non-constexpr value that is evaluated in runtime.
constexpr int value2=func_constexpr(10,rand()); // ERROR. value2 is constexpr and the expression func_constexpr(10,rand()) can't be evaluated at compile time.
3.类方法
constexpr也可应用于所述成员函数（方法），操作者和甚至构造函数。例如。
class test2
{
static constexpr int function(int value)
{
return(value+1);
}
void f()
{
int x[function(10)];
}
};
一个更“疯狂”的样本。
class test3
{
public:
int value;
// constexpr const method - can't chanage the values of object fields and can be evaluated at compile time.
constexpr int getvalue() const
{
return(value);
}
constexpr test3(int Value)
: value(Value)
{
}
};
constexpr test3 x(100); // OK. Constructor is constexpr.
int array[x.getvalue()]; // OK. x.getvalue() is constexpr and can be evaluated at compile time.
4.建议
Tips from the book Effective Modern C++ by Scott Meyers about constexpr:
constexpr对象是const，在编译期间使用已知的值初始化;constexpr函数当使用在编译期间已知值的参数调用时，constexpr函数产生编译时结果;- 与非
constexpr对象和函数相比，constexpr对象和函数可以在更广泛的上下文中使用; constexpr是对象或函数接口的一部分。
5.补充
内联变量C++17 引入了内联（inline）变量的概念，允许在头文件中定义内联变量，然后像内联函数一样，只要所有的定义都相同，那变量的定义出现多次也没有关系。对于类的静态数据成员，const 缺省是不内联的，而 constexpr 缺省就是内联的。这种区别在你用 & 去取一个 const int 值的地址、或将其传到一个形参类型为 const int& 的函数去的时候（这在 C++ 文档里的行话叫 ODR-use），就会体现出来。
合法例子：
#include <iostream>
struct magic {
static const int number = 42;
};
int main()
{
std::cout << magic::number
<< std::endl;
}
不合法例子：
#include <iostream>
#include <vector>
struct magic {
static const int number = 42;
};
int main()
{
std::vector<int> v;
// 调用 push_back(const T&)
v.push_back(magic::number);
std::cout << v[0] << std::endl;
}
程序在链接时就会报错了，说找不到 magic::number。这是因为 ODR(下面的one definition rule)-use 的类静态常量也需要有一个定义，在没有内联变量之前需要在某一个源代码文件（非头文件）中这样写：
const int magic::number = 42;
必须正正好好一个，多了少了都不行，所以叫 one definition rule。
内联函数，现在又有了内联变量，以及模板，则不受这条规则限制。修正这个问题的简单方法是把 magic 里的 static const 改成 static constexpr 或 static inline const。前者可行的原因是，类的静态 constexpr 成员变量默认就是内联的。const 常量和类外面的 constexpr 变量不默认内联，需要手工加 inline 关键字才会变成内联。
6.学习资料
https://stackoverflow.com/questions/14116003/difference-between-constexpr-and-const
极客时间现代C++
ODR-use https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/definition