常量表达式是什么_const常量

全栈程序员站长

发布于 2022-11-10 14:23:10

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发布于 2022-11-10 14:23:10

文章被收录于专栏：全栈程序员必看

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

常量表达式值（constant-expression value）。通常情况下，常量表达式值必须被一个常量表达式赋值，而跟常量表达式函数一样，常量表达式值在使用前必须被初始化。

一、常量表达式

1.1 运行时常量性与编译时常量性

在C++中，我们常常会遇到常量的概念。常量表示该值不可修改，通常是通过const关键字来修饰的。比如：

const int i = 3;

const还可以修饰函数参数、函数返回值、函数本身、类等。在不同的使用条件下，const有不同的意义，不过大多数情况下，const描述的都是一些“运行时常量性”的概念，即具有运行时数据的不可更改性。不过有的时候，我们需要的却是编译时期的常量性，这是const关键字无法保证的。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
const int GetConst() { 
 return 1; }
void Constless(int cond) { 

int arr[GetConst()] = { 
0}; // 无法通过编译
enum { 
 e1 = GetConst(), e2 }; // 无法通过编译
switch (cond) { 

case GetConst(): // 无法通过编译
break;
default:
break;
}
}
int main()
{ 

cout<< GetConst()<< endl;
}

bash-4.4$ g++ constexpr.cpp -o expr && ./expr
constexpr.cpp: In function ‘void Constless(int)’:
constexpr.cpp:8:21: error: call to non-‘constexpr’ function ‘const int GetConst()’
enum { 
 e1 = GetConst(), e2 }; // 无法通过编译
~~~~~~~~^~
constexpr.cpp:8:21: error: call to non-‘constexpr’ function ‘const int GetConst()’
constexpr.cpp:8:22: error: enumerator value for ‘e1’ is not an integer constant
enum { 
 e1 = GetConst(), e2 }; // 无法通过编译
^
constexpr.cpp:10:14: error: call to non-‘constexpr’ function ‘const int GetConst()’
case GetConst(): // 无法通过编译
~~~~~~~~^~
constexpr.cpp:10:14: error: call to non-‘constexpr’ function ‘const int GetConst()’

我们定义了一个返回常数1的函数GetConst。我们使用了const关键字修饰了返回类型。不过编译后我们发现，无论将GetConst的结果用于需要初始化数组Arr的声明中，还是用于匿名枚举中，或用于switch-case的case表达式中，编译器都会报告错误。发生这样错误的原因如我们上面提到的一样，这些语句都需要的是编译时期的常量值。而const修饰的函数返回值，只保证了在运行时期内其值是不可以被更改的。这是两个完全不同的概念。

1.2 如何获得编译期常量

简单粗暴的做法：使用C中的宏替代GetConst函数。

#define GetConst 1

C++11中对编译时期常量的回答是constexpr，即常量表达式（constant expression）。

constexpr int GetConst() { 
 return 1; }

即在函数表达式前加上constexpr关键字即可。有了常量表达式这样的声明，编译器就可以在编译时期对GetConst表达式进行值计算（evaluation），从而将其视为一个编译时期的常量（虽然编译器不一定这么做，但至少从语法效果上看是这样，我们会在后面叙述）。

#define GetConst 1

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
#define GetConst 1
//const int GetConst() { return 1; }
void Constless(int cond) { 

int arr[GetConst] = { 
0}; 
enum { 
 e1 = GetConst, e2 }; 
switch (cond) { 

case GetConst:
cout<< GetConst <<endl;
break;
default:
break;
}
}
int main()
{ 

//cout<< GetConst()<< endl;
Constless(1);
}

constexpr

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
constexpr int GetConst() { 
 return 1; }
void Constless(int cond) { 

int arr[GetConst()] = { 
0};
enum { 
 e1 = GetConst(), e2 };
switch (cond) { 

case GetConst():
break;
default:
break;
}
}
int main()
{ 

cout<< GetConst()<< endl;
}

2.1 常量表达式函数

通常我们可以在函数返回类型前加入关键字constexpr来使其成为常量表达式函数。不过并非所有的函数都有资格成为常量表达式函数。事实上，常量表达式函数的要求非常严格，总结起来，大概有以下几点： ·函数体只有单一的return返回语句。 ·函数必须返回值（不能是void函数）。 ·在使用前必须已有定义。 ·return返回语句表达式中不能使用非常量表达式的函数、全局数据，且必须是一个常量表达式。

首先是常量表达式函数中最为明显的限制，就是要求函数体中只有一条语句，且该条语句必须是return语句。 这就意味着形如：

constexpr int data() { 
 const int i = 1; return i; }

这样的多条语句的写法是无法通过编译的。不过一些不会产生实际代码的语句在常量表达式函数中使用下，倒不会导致编译器的“抱怨”。我们可以看看如下static_assert的情况：

constexpr int f(int x){ 

static_assert(0 == 0, "assert fail.");
return x;
}

该例子能够通过编译。而其他的，比如using指令、typedef等也通常不会造成问题。

第二点约束，则是常量表达式必须返回值。形如constexpr void f(){}这样的不返回值的函数就不能是常量表达式。当然，其原因也很明显，因为无法获得常量的常量表达式是不被认可的。第三点约束是常量表达式函数在使用前必须被定义。对于普通函数而言，调用函数只需要有函数声明就够了，但常量表达式函数的使用则有所不同。这里读者应该注意常量表达式“使用”和“调用”的区别，前者讲的是编译时的值计算，而后者讲的是运行时的函数调用

constexpr int f();
int a = f();
const int b = f();
constexpr int c = f(); //无法通过编译 f先声明，此时还没有实现
constexpr int f() { 
 return 1; }
constexpr int d = f();

在a和b的定义中，编译器会将f()转换为一个函数调用， 而在c的定义中，由于其是一个常量表达式值，因此会要求编译器进行编译时的值计算。 这时候由于f常量表达式还没有定义，就会导致编译错误。而d的定义则没有问题，因为f的定义已经有了。

第四点非常重要，常量表达式中，也不能使用非常量表达式的函数。形如

const int e(){ 
 return 1;}
constexpr int g(){ 
 return e(); }

或者形如

int g = 3;
constexpr int h() { 
 return g; }

的常量表达式定义是不能通过编译的。这样做的意义也比较明显，即如果我们要使得g()是一个编译时的常量，那么其return表达式语句就不能包含运行时才能确定返回值的函数。只有这样，编译器才能够在编译时进行常量表达式函数的值计算。当然，作为一个常量表达式函数，return的表达式需要是一个常量表达式也是天经地义的事情。一些危险的操作，比如赋值的操作在常量表达式中也是不允许的，形如

constexpr int k(int x) { 
 return x = 1; }

的语句也是无法通过C++11编译器的编译的。

3.1 常量表达式值

常量表达式值（constant-expressionvalue）。通常情况下，常量表达式值必须被一个常量表达式赋值，而跟常量表达式函数一样，常量表达式值在使用前必须被初始化。而使用constexpr声明的数据最常被问起的问题是，下列两条语句有什么区别：

const int i = 1;
constexpr int j = 1;

事实上，两者在大多数情况下是没有区别的。不过有一点是肯定的，就是如果i在全局名字空间中，编译器一定会为i产生数据。而对于j，如果不是有代码显式地使用了它的地址，编译器可以选择不为它生成数据，而仅将其当做编译时期的值（是不是想起了光有名字没有产生数据的枚举值，以及不会产生数据的右值字面常量？事实上，它们也都只是编译时期的常量）。

而对于自定义类型的数据，要使其成为常量表达式值的话，则不像内置类型这么简单。C++11标准中，constexpr关键字是不能用于修饰自定义类型的定义的。比如下面这样的类型定义和使用：

constexpr struct MyType { 
int i; }
constexpr MyType mt = { 
0};

在C++11中，就是无法通过编译的。正确地做法是，定义自定义常量构造函数（constent-expression constructor）。

struct MyType { 

constexpr MyType(int x): i(x){ 
}
int i;
};
constexpr MyType mt = { 
0};

代码清单6-4中，我们对MyType的构造函数进行了定义。不过在定义前，我们加上了constexpr关键字。通过这样的定义，MyType类型的 constexpr的变量mt的定义就可以通过编译了。常量表达式的构造函数也有使用上的约束，主要的有以下两点： ·函数体必须为空。 ·初始化列表只能由常量表达式来赋值。

在C++11中，不允许常量表达式作用于virtual的成员函数。这个原因也是显而易见的， virtual表示的是运行时的行为，与“可以在编译时进行值计算”的constexpr的意义是冲突的。

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原始发表：2022年9月27日，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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