【C++】现代C++的新特性constexpr，及其在C++14、C++17、C++20中的进化

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一、从C++11引入

1. 常量表达式和constexpr关键字的概念

现代C++，从C++11开始，引入了常量表达式和constexpr关键字的概念，并且在之后的C++标准中不断更新

常量表达式是指，值不会改变并且在编译过程中就能得到计算结果的表达式。用字面量、常量表达式初始化的const对象都是常量表达式。但是用变量初始化的const对象不是常量表达式。

const int a = 1; //a是常量表达式
const int b = a + 1; //b是常量表达式
int c = 1; //c不是常量表达式
const int d = c; //d不是常量表达式，因为可能有代码影响c的值，编译时期无法确定c的值

由于常量表达式的值在编译时期就能确定，编译器在这里就能进行优化，在使用常量表达式的地方直接进行替换值，通过汇编语言我们能看出区别：

常量表达式的最大优点就是能将一些计算从运行时转移到编译时，提升程序运行时的性能。

C++11引入了一个关键字：constexpr，用于指定常量表达式，它允许在编译时计算表达式的值。
constexpr可以修饰变量，但修饰的变量一定要是常量表达式，且必须用常量或常量表达式进行初始化，否则会报错

constexpr也可以修饰指针，但修饰的是指针本身，也是就顶层const。

const可以分为顶层const、底层constexpr。本身被const修饰叫做顶层const、指向的对象被const修饰叫做底层const。大多数普通对象被const修饰时都是顶层const；指针被const修饰时，*左边的const叫做底层const，*右边的const叫做顶层const；const修饰引用时，是底层const

2. constexpr修饰函数

constexpr可以修饰函数，constexpr函数默认都是inline的，函数的计算会由编译器在编译时期执行。但是，一个函数的逻辑可比表达式的逻辑复杂多了，这对于编译器的要求就更加严格，因此在C++11的标准中，对constexpr修饰的函数要求也十分严格：

• 这个函数的参数和返回值必须都是字面类型（目前可以理解为包括整型、浮点型、指针、引用等）
• 函数体中只能包含一条语句且是return语句
• 函数体中不能定义局部变量，不能有循环语句、条件语句
• 函数必须有返回值，返回值必须是常量表达式。函数如果有参数，必须传常量或常量表达式（不这样传参，要用普通变量接收函数结果，此时这个函数还是普通函数的运行执行）

constexpr函数的返回结果，必须用一个常量表达式进行接收，才能触发编译器的优化。否则这个函数还是像普通函数一样，在运行调用时才会计算：

constexpr int func1()
{return 1;
}constexpr int func2(int x)
{return x + 10;
}constexpr int func3(int n)
{return n <= 1 ? 1 : n * func3(n - 1);
}int main()
{constexpr int a = func1();constexpr int b = func2(10);constexpr int c = func3(5);cout << a << endl;cout << b << endl;cout << c << endl;return 0;
}

通过汇编语句观察，确实在编译时期就计算出了a、b、c的结果，在cout语句中直接进行了值替换

constexpr还能修饰其他函数：

• constexpr修饰构造函数，一个类的构造函数被constexpr修饰了，才能定义constexpr修饰的类对象。要求：
  • 该类的所有成员变量必须是字面类型
  • constexpr构造函数必须在初始化列表初始化所有成员变量，必须用常量表达式初始化成员变量，函数体必须为空
  • 该类的析构函数不能做任何实际清理工作
• constexpr修饰成员函数：
  • 这个函数自动成为const成员函数，参数列表()后要加上const，函数内不能修改成员变量
  • constexpr成员函数不能是虚函数
  • 其他要求跟普通函数一样
• constexpr修饰函数模板：
  • 如果constexpr修饰的函数模板的实例化结果不符合constexpr普通函数的要求，则constexpr会自动忽略，这个函数就相当于一个普通函数

能看出来，C++11对于constexpr修饰函数还是相当相当严格的，但这些规定会在后面的C++标准中逐步放开，时代还是在进步的~

二、constexpr在C++14中的进化

C++14中，大幅放宽了对constexpr函数的限制，使其语法和功能更接近普通函数：

• 允许了constexpr函数内部声明和初始化局部变量
• 支持函数内的if语句、for/while语句、switch语句等
• 函数内可以有多条return语句
• 函数的返回类型可以是void、自定义类型、STL的std::array容器、等更多复合类型

实验时，要确保编译器支持的是C++14标准：

constexpr int func(int n)
{if (n == 1 || n == 2){return n;}int ret = 1; //允许局部变量for (int i = 2; i <= n; i++){ret *= i;}return ret; //允许多条return语句
}int main()
{constexpr int a = func(5);cout << a << endl;return 0;
}

三、constexpr在C++17中的进化

C++17进一步对constexpr扩展，使其能力大幅提升，进一步模糊了编译时和运行时的界限。

其中，constexpr可以修饰lambda表达式了，要求：

• lambda表达式的捕获必须是常量表达式
• 函数体满足constexpr函数的要求

同样，实验时保证编译器是C++17标准的：

int main()
{constexpr int a = 10;constexpr auto func = [a](int x) constexpr {return x * a; };constexpr int b = func(5);cout << b << endl;return 0;
}

四、constexpr在C++20中的进化

C++20是C++的最重要的更新之一，也同样对constexpr特性进行了革命，使编译器的计算能力得到前所未有的提升，使其成为现代C++元编程和性能优化的核心工具，主要更新了以下内容：

• 支持了在编译期动态内存分配：C++20支持constexpr函数中使用动态内存分配（new/delete），但所分配的内存必须在编译器被释放。这一用法使得STL库的其他容器的编译期实现成为“可能”，但C++20还无法在constexpr函数内真正使用vector、string等容器涉及内存的操作，继续期待未来的更新吧。
• 支持了constexpr函数内的try-catch语句，但是实际不能真正抛出异常。这里主要用于模板约束和编译期的错误检测，异常必须在编译期捕获和处理，不能传播到运行时期。
• 支持了constexpr可变（mutable）类成员变量：原来的constexpr成员函数中，不能修改成员变量，但C++20后在定义成员变量时加上mutable关键字，这个成员变量就能在constexpr成员函数中被修改了。
• 支持了constexpr虚函数：C++20后开始支持虚函数定义为constexpr函数，也就是支持了编译器的多态调用。

C++23是目前最新的C++标准，但编译器支持仍在路上，主要因为标准本身的复杂性、厂商对稳定性的优先考量以及实现策略的差异。让我们期待C++的未来无限发展可能吧！

本篇完，感谢阅读