constexpr和字面值常量类

Posted 2021-03-05 southerneast

常量表达式

常量表达式是指值不会改变并且在编译过程就能得到计算结构的表达式。一个对象（或表达式）是不是常量表达式由它的数据类型和初始值共同决定，例如：

    const int maxFiles = 20;       // maxFiles是常量表达式
    const int limit = maxFiles + 1;// limit是常量表达式
    int staffSize = 27;            // staffSize不是常量表达式
    const int sz = getSize();      // sz不是常量表达式

constexpr变量

C++11规定，允许将变量声明为constexpr类型以便由编译器来验证变量值是否是一个常量表达式。声明为constexpr的变量一定是一个常量，而且必须用常量表达式初始化：

    constexpr int mf = 20;         // 20是常量表达式
    constexpr int limit = mf + 1;  // mf + 1是常量表达式
    constexpr int sz = size();     // 只有当size是一个constexpr函数时才正确

尽管不能使用普通函数作为constexpr变量的初始值，但是新标准允许定义一种特殊的constexpr函数。这种函数应该足够简单以使其在编译时就可以计算出结果，这样就可以使用constexpr函数去初始化constexpr变量了。

字面值类型

这种类型比较简单，值也显而易见、容易得到，所以把它们称之为“字面值类型”。

算术类型、引用和指针都属于字面值类型。尽管指针和引用都能定义成constexpr，但它们的初始值却受到严格限制。一个constexpr指针的初始值必须是nullptr或0，或者是存储于某个固定地址中的对象。

指针和constexpr

在constexpr声明中如果定义了一个指针，限定符constexpr仅对指针有效，与指针所指的对象无关，例如：

    const int *p = nullptr;        // p是一个指向整型常量的指针
    constexpr int *q = nullptr;    // q是一个指向整数的常量指针

p和q的类型完全不一样，p是一个指向常量的指针，而q是一个常量指针，其中关键在于constexpr把它定义的对象设置为了顶层const。

与其他常量指针类似，constexpr指针既可以指向常量也可以指向一个非常量，如：

    constexpr int *np = nullptr;    // np是一个指向整数的常量指针，其值为空
    int j = 0;
    constexpr int i = 42;           // i是整型常量
    // i和j都必须定义在函数体之外

    constexpr const int *p = &i;    // p是常量指针，指向整型常量
    constexpr int *p1 = &j;         // p1是常量指针，指向整数j

constexpr函数

constexpr函数是指能用于常量表达式的函数。有以下两条约定：

1.函数的返回类型及所有形参的类型都必须是字面值类型；

2.函数体中必须有且只有一条return语句。

例如：

    constexpr int new_sz() { return 42; }   
    constexpr int foo = new_sz();    // 正确，foo是一个常量表达式

编译器能够在程序编译时验证new_sz函数返回的是常量表达式，所以可以用new_sz函数初始化constexpr类型的变量foo。

执行该初始化任务时，编译器把对constexpr函数的调用替换成其结果值。为了能在编译过程中随时展开，constexpr函数被隐式地指定为内联函数。

constexpr函数体内也可以包含其他语句，只要这些语句在运行时不执行任何操作就行。也允许constexpr函数的返回值并非一个常量：

    // 如果arg是常量表达式，则scale(arg)也是常量表达式
    constexpr size_t scale(size_t cnt) { return new_sz() * cnt; }

当scale的实参是常量表达式时，它的返回值也是常量表达式；反之则不然：

    int arr[scale(2)];        // 正确，scale(2)是常量表达式
    int i = 2;                // i不是常量表达式         
    int a2[scale(i)];         // 错误，scale(i)不是常量表达式

因此可知，constexpr函数不一定返回常量表达式。

字面值常量类

定义

除了算数类型、引用和指针外，某些类也是字面值类型，和其他类不同，字面值类型的类可能含有constexpr函数成员。这样的成员必须符合constexpr函数的所有要求，它们是隐式const的。

数据成员都是字面值类型的聚合类是字面值常量类。如果一个类不是聚合类，但是符合以下要求，则他也是字面值常量类：

1.数据成员必须是字面值类型；

2.类必须至少含有一个constexpr构造函数；

3.如果一个数据成员含有类内初始值，则内置类型成员的初始值必须是一条常量表达式；或者如果成员属于某种类类型，则初始值必须使用成员自己的constexpr构造函数；

4.类必须使用析构函数的默认定义，该成员负责销毁类的对象。

constexpr构造函数

尽管构造函数不能是const的，但是字面值常量的构造函数可以是constexpr函数。事实上，一个字面值常量类必须至少提供一个constexpr构造函数。

constexpr构造函数可以声明称=default的形式（或者是删除函数的形式）。否则，constexpr构造函数就必须既符合构造函数的要求（不能包含返回语句），又符合constexpr函数的要求（能拥有的唯一可执行语句就是返回语句），因此，constexpr构造函数体一般来说应该是空的。如下：

class Debug {
public:
    constexpr Debug(bool b = true) : rt(b), io(b), other(b) { }
    constexpr Debug(bool r, bool i, bool o) : rt(r), io(i), other(o) { }
    constexpr bool any() { return rt || io || other; }
    constexpr bool any() const { return rt || io || other; }

    void setRt(bool b) { rt = b; }
    void setIo(bool b) { io = b; }
    void setOther(bool b) { other = b; }

private:
    bool rt;        // runtime error
    bool io;        // I/O error
    bool other;     // the others
};

constexpr构造函数必须初始化所有数据成员，初始值或者使用constexpr构造函数，或者是一条常量表达式。

constexpr构造函数用于生成constexpr对象以及constexpr函数的参数或返回类型示意如下：

    constexpr Debug iosub(false, true, false);
    if (ioSub.any()) {
    cerr << "print appropriate error messages" << endl;
    }
    constexpr Debug prod(false);
    if (prod.any()) {
    cerr << "print an error message" << endl;
    }