【c++八股文】Day5：const和constexpr，define
非常棒的问题，这几个关键字（const、constexpr、#define）都可以用来表示“常量”，但它们意义、作用时机和参与编译的方式完全不同，理解这些对掌握 C++ 编译模型和写出高质量代码非常重要。
我们从用途、语义、生命周期、编译阶段、类型检查、作用域、性能优化等维度系统性整理：
✅ 一、先看三者的简要对比
| 特性/关键词 | #define | const | constexpr |
|---|---|---|---|
| 类型安全 | ❌（纯文本替换） | ✅（有类型） | ✅（有类型，且编译期常量） |
| 编译阶段 | 预处理阶段 | 编译阶段 | 编译阶段（要求常量表达式） |
| 编译器可见性 | ❌（对编译器不可见） | ✅（符号存在） | ✅（符号存在且常量可折叠） |
| 优化能力 | 差（不利于调试优化） | 较好 | 最佳 |
| 可以取地址 | ❌ | ✅（在符号表中） | ✅（但可能折叠为立即数） |
| 支持复杂类型 | ❌（只能是文本） | ✅ | ✅ |
| 可用于数组长度 | ❌ | ✅（C++11起） | ✅ |
| 常量表达式限制 | 无 | 不要求是编译期常量 | 必须是编译期常量表达式 |
🧩 二、编译器行为层面解释
1. #define：预处理阶段文本替换
#define PI 3.14
🔍 行为：
- 在预处理阶段，编译器会把 所有出现
PI的地方直接替换为3.14 - 编译器看不到 PI 这个标识符，调试器、类型系统也看不到
- 不参与类型检查、作用域控制
📌 不推荐：
#define SQUARE(x) x * x
int y = SQUARE(1 + 2); // → 展开为 1 + 2 * 1 + 2 → 错误
2. const：在编译阶段处理的只读变量
const double pi = 3.14;
🔍 行为：
pi是一个具有类型和作用域的符号- 编译器会参与类型检查
- 可以取地址（存在符号表中）
- 如果优化器看到它不变，可能优化为立即数
📌 示例：
const int N = 10;
int arr[N]; // C++11 起允许
3. constexpr：编译阶段就能求值为常量的表达式
constexpr double pi = 3.14;
constexpr int square(int x) { return x * x; }
🔍 行为：
-
要求变量或函数在编译期间就能确定值
-
编译器会强制执行常量折叠（constant folding）
-
可用于：
- 数组大小
- 模板参数
- 枚举值
if constexpr语句分支
-
可定义常量表达式函数
📌 示例：
constexpr int N = square(3); // N = 9，在编译期完成计算
int arr[N]; // 数组大小合法
⚠️ 三者在调试器中的差异
| 内容类型 | 在调试器中是否可见 | 是否能打断点 | 是否能取地址 |
|---|---|---|---|
#define | ❌ 不可见（被替换掉） | ❌ 无法断点 | ❌ |
const | ✅ 可见（有符号名） | ✅ 可以断点 | ✅ |
constexpr | ⚠️ 可能折叠优化掉 | ❌ 不一定能断点 | ❌ 常常变成立即数 |
✅ 四、代码层级对比示例
#define LEN 100 // 无类型，只是 100 的文本替换const int len1 = 100; // 有类型，支持类型检查，可能折叠
constexpr int len2 = 100; // 编译期常量，支持最强优化int arr1[LEN]; // ✅
int arr2[len1]; // ✅（C++11 起）
int arr3[len2]; // ✅（优先推荐）
🎓 五、适合用于什么场景？
| 使用场景 | 推荐选项 | 原因 |
|---|---|---|
| 简单常量替代 | constexpr | 类型安全 + 编译期求值 + 优化好 |
| 宏函数 | inline constexpr function | 避免宏展开错误，可调试 |
| 魔法数字、配置参数 | constexpr or const | 类型安全、可调试 |
| 条件编译（平台相关） | #ifdef/#define | 预处理器语法只在这类场景合法 |
| 定义模板参数或数组大小 | constexpr | 编译期要求常量 |
✅ 六、语义分层总结图
┌────────────────────────────┐│ #define PI 3.14 │ ← 预处理，替换文本，无类型、无调试信息└────────────────────────────┘↓┌────────────────────────────┐│ const double pi = 3.14; │ ← 有类型，有符号，有作用域，可调试└────────────────────────────┘↓┌────────────────────────────┐│ constexpr double pi = 3.14;│ ← 编译期常量表达式，最优性能和安全性└────────────────────────────┘
✅ 七、一句话总结
#define是预处理器的文本替换，完全不参与类型系统；const是只读变量，具有类型和作用域；constexpr是编译期可求值的常量表达式，是现代 C++ 推荐的写法，支持最强类型安全与编译优化。