C++20 中的 `consteval` 和 `constinit` 特性

C++20 引入了 consteval 和 constinit 两个新关键字，它们与 constexpr 一起，为编译时计算和变量初始化提供了更强大的支持。以下是对这两个特性的详细介绍和用法。

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1. consteval：强制编译时计算

consteval 是 C++20 中引入的一个关键字，用于定义只能在编译时计算的函数。与 constexpr 函数不同，consteval 函数必须在编译时计算，而不能在运行时调用。

语法

consteval int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

特点

• 强制编译时计算：consteval 函数的所有调用都必须在编译时完成，不能在运行时调用。
• 参数限制：函数参数必须是编译时已知的常量表达式。
• 适用场景：用于需要在编译时完成的复杂计算，例如生成常量数组或类型特征。

示例

consteval int fib(int n) {
    int a = 0, b = 1;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        a = b;
        b = a + b;
    }
    return a;
}

int main() {
    constexpr int result = fib(10);  // OK，fib(10) 是编译时计算的
    // int runtime_result = fib(a);  // 错误，变量 a 不是编译时常量
    return 0;
}

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2. constinit：确保编译时初始化

constinit 是 C++20 引入的另一个关键字，用于确保具有静态或线程存储期限的变量在编译时完成初始化。

语法

constinit int global_var = 42;

特点

• 编译时初始化：constinit 确保变量在编译时初始化，避免运行时动态初始化。
• 非常量变量：与 constexpr 不同，constinit 不要求变量是常量，变量可以在运行时修改。
• 适用范围：只能用于具有静态或线程存储期限的变量，不能用于局部变量。

示例

constinit int global_var = 42;  // 编译时初始化

int main() {
    global_var = 100;  // 允许修改
    return 0;
}

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3. consteval 和 constinit 的区别

特性	consteval	constinit
作用	强制函数在编译时计算	确保变量在编译时初始化
适用对象	函数	具有静态或线程存储期限的变量
运行时调用	不允许	允许（变量可修改）
编译时要求	参数必须是常量表达式	初始化表达式必须是编译时可计算的

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4. 使用场景

• consteval：

  • 用于生成编译时常量，例如数组大小或类型特征。
  • 避免运行时计算，提升性能。

• constinit：

  • 避免静态初始化顺序问题（SIOF）。
  • 确保全局变量或静态变量在编译时初始化，减少运行时开销。

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5. 注意事项

• consteval：

  • 不能与运行时变量一起使用，否则会导致编译错误。
  • 适用于需要在编译时完成的复杂计算。

• constinit：

  • 只能用于静态或线程存储期限的变量。
  • 初始化表达式必须是编译时可计算的。

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总结

consteval 和 constinit 是 C++20 引入的两个强大工具，分别用于强制编译时计算和确保编译时初始化。它们与 constexpr 一起，为现代 C++ 的编译时优化提供了更丰富的支持。