constexpr：编译期与运行期之间的神秘关键字

Posted 2020-08-14 wangxiaobao的博客

Scott Meyers在effective modern c++中提到“If there were an award for the most confusing new word in C++11, constexpr would probably win it.”

由此可见，constexpr确实是比较难以让人理解。加之其在C++11和14中的标准略有不同，也加剧了这种难度。

参考几本经典教材（C++ primer, effective modern C++, a tour of C++）以及蓝色大大在知乎上的一些解答，整理出constexpr的用法和注意事项。

1.概念，constexpr objects

C++ primer中给出的定义是 “常量表达式是指不会改变并且在编译过程中就能得到计算结果的表达式 ^【1】。”

可以理解为在const上又加一层限定条件，即const并不限定是编译期常量还是运行期常量，而constexpr必须是编译期常量（在编译阶段得到结果）。

举例如下：

众所周知，array的size是需要在编译期确定的，所以当其size不是一个常量表达式时，是无法通过编译的。

int i;
const int size = i;
int arr[size];         //error，size不是常量表达式，不能在编译期确定

而如果size是一个constexpr变量，则符合编译期确定的条件，可以通过编译。

constexpr auto size = 10;
int arr[size];                     //OK，size时常量表达式

当然，要定义一个常量表达式的时候，也要确保其右侧是常量表达式，否则该处便无法通过编译。

int i;
constexpr int size = i;  // error,i不能在编译期确定

所以用effective modern c++中的一句话总结这一部分就是:

“constexpr objects are const and are initialized with values known during compilation^【2】”.

 

2. constexpr functions

比起constexpr变量，用constexpr修饰的函数有些更容易混淆的地方。

1） constexpr修饰的函数，当传入参数是可以在编译期计算出来时，产生constexpr变量；

　　　　　　　　　　　　　当传入参数不可以在编译期计算出来时，产生运行期遍历（constexpr等于不存在）。

因此，不必写两个函数，如果函数体存在constexpr适用条件，就应该加上constexpr关键字。

例如（例子来源^【3】）：

constexpr int foo(int i) {
    return i + 5;
}

int main() {
    int i = 10;
    std::array<int, foo(5)> arr; // OK，5是常量表达式，计算出foo(5)也是常量表达式
    
    foo(i); // Call is Ok，i不是常量表达式，但仍然可以调用（constexpr 被忽略）
    
    std::array<int, foo(i)> arr1; // Error，但是foo(i)的调用结果不是常量表达式了
   
}

2） 在C++11和14中的区别

在C++11标准中，对于constexpr修饰的函数给了及其苛刻的限定条件：函数的返回值类型及所有形参的类型都是字面值类型，而且函数体内必须有且只有一条return语句^【1】。

这个条件显然是太苛刻了，以至于很多在constexpr的操作都要借助？：表达式，递归等办法实现。

在C++14中，放宽了这一限定，只保留了“函数的返回值类型及所有形参的类型都是字面值类型”，也就是说，这些值都在编译期能确定了就行。

 

3. constexpr class（字面值常量类）

built-in类型是字面值常量，但是有时需要自定义类型也作为字面值常量，这时候就需需要将constexpr修饰构造函数。

字面值常量类必须至少提供一个constexpr构造函数。

例如：

class Point {
public:
    constexpr Point(double xval = 0, double yval = 0): x(xval), y(yval) { }
    constexpr double getX() const {return x;}
    constexpr double getY() const {return y;}
private:
    double x,y;
};

当这样定义一个类后，便可以将Point类型的对象定义为字面值常量。即：

constexpr Point p1(9.4, 27,7);
constexpr Point p2(28.8, 5.3);

constexpr
Point midpoint(const Point& p1, const Point& p2) {
    return {p1.getX() + p2.getX() / 2, p1.getY() + p2.getY() / 2} ;
}
 
constexpr auto mid = midpoint (p1, p2);

上述例子中，p1,p2均为字面值常量，midpoint为constexpr修饰的函数，所以求取mid的整个过程均在编译期就可以完成，软件运行的时间自然会大大减少。

至此关于constexpr的三个主要用途（constexpr变量，constexpr修饰函数，constexpr修饰构造函数）就总结完毕，下面是一些注意事项。

 

注意事项1： 很多人（包括我自己）在gcc中验证数组大小必须在编译期指定的例子时发现：

如果array定义在主函数内，即使给定的不是一个常量表达式，也可以通过编译。这差点颠覆了我的认知。。。

蓝色大大在知乎答案^【4】中解释了这一点，其实是C99中的variable length array。在全局变量中不能使用（无法分配内存），在局部变量中可以使用，细节可以参考那份解答。

注意事项2：constexpr这么复杂，到底为什么要用？ 

其实第一还是为了效率。效率是C++的设计哲学之一，编译期可以确定的东西，便可以提醒编译期优化，也可能存放在read-only memory中

第二就是这样声明的constexpr变量便可以用在诸如上述数组长度指定，还有包括模板参数，case标签等场合，会便于使用^【5】。

 

参考资料：

1. Stanley B. Lippman / Josée Lajoie / Barbara E. Moo,  C++ Primer 中文版（第 5 版）[M].  电子工业出版社,2013

2. Meyers S. Effective Modern C++[M]. O‘Reilly, 2014.

3. 蓝色在知乎问题“C++ const 和 constexpr 的区别？”中的解答： https://www.zhihu.com/question/35614219

4. 蓝色在知乎问题“constexpr和const数组的区别?”中的解答： https://www.zhihu.com/question/29662350/answer/45192834

5. Stroustrup B. A Tour of C++[M]. Addison-Wesley Longman, Amsterdam, 2013.