C++constexpr和常量表达式

Posted 2022-11-12 bootblack

　　常量表达式（const expression）是指值不会改变并且在编译过程就能得到计算结果的表达式。显然，字面值属于常量表达式，用常量表达式初始化的const对象也是常量表达式。后面将提到，C++语言有几种情况下是要用到常量表达式的。

　　一个对象（或者表达式）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 max_files = 20;           //max_files是常量表达式
    const int limit = max_files + 1;    //limit是常量表达式
    int staff_size = 27;                //staff_size不是常量表达式
    const int sz = get_size();          //sz不是常量表达式

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尽管staff_size的初始值是字面值常量，但由于它的数据类型只是一个int而非const int，所以它不属于常量表达式。另一方面，尽管sz本身是一个常量，但它的具体值直到运行时才能获取到，所以也不是常量表达式。

constexpr变量

　　在一个复杂的系统中，很难（几乎肯定不能）分辨一个初始值到底是不是常量表达式。当然可以定义一个const变量并把它的初始值设为我们认为的某个常量表达式，但在实际使用时，尽管要求如此却常常发现初始值并非常量表达式的情况。可以这么说，此种情况下，对象的定义和使用是两回事儿。

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

    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函数时才是一条正确的声明语句

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字面值类型

　　常量表达式的值需要在编译时就能得到计算，因此对声明constexpr时用到的类型必须有所限制。因为这些类型一般比较简单，值也显而易见，就把它们称为“字面值类型”（literal type）。

　　到目前为止接触过的数据类型中，算术类型、引用和指针都属于字面值类型。自定义类Sales_item、IO库、string类型则不能被定义为constexpr。

　　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的限制。一个constexpr指针的初始值必须是nullptr或者0，或者是存储于某个固定地址中的对象。

　　函数体内定义个变量一般来说并非存放在固定地址中，因此constexpr指针不能指向这样的变量。相反的，定义在所有函数体之外的对象其地址固定不变，能用来初始化constexpr指针。允许函数定义一类有效范围超过函数本身的变量，这类变量和定义在函数体之外的变量一样也有固定地址。因此，constexpr引用能绑定到这样的变量上，constexpr指针也能指向这样的变量。

指针和constexpr

　　必须明确一点，在constexpr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：

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

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p和q的类型相差甚远，p是一个指向常量的指针，而q是一个常量指针，其中的关键在于constexpr把它所定义的对象置为了顶层const。

　　与其它常量指针类似，constexpr指针既可以指向常量也可以指向非常量：

    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的类型是整型常量，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，指向整形常量i
    constexpr int *p1 = &j;         //p1是常量指针，指向整数j

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