C++ constexpr详解

JPWFJ • 2025-02-24 00:34 • 编程

一、constexpr是什么？

constexpr声明指出，函数或对象在编译时求值时，可以用于常量表达式。由此，我们可以将计算工作从运行时移动到编译时。这样做的好处是：编译器可以在编译阶段进行优化，提高程序执行效率。

    constexpr int factorial(int n) {
        return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
    }

    int main() {
        constexpr int val = factorial(5);
        static_assert(val == 120);
        return 0;
    }

上面的代码展示了一个简单的递归阶乘函数，通过constexpr可以使其在编译期计算出正确结果。由于编译阶段进行的计算，所以val是一个常量表达式，并且可以用于编译时的静态断言检查。

二、constexpr的限制

使用constexpr声明的函数和对象有一定的限制：

1. 函数必须是单一返回语句，或每个分支必须返回相同的值

2. 函数不能包含循环或递归，除非循环次数是编译时常量

3. 函数参数必须是文字常量、引用或指向文字常量的指针

4. 对象必须初始化为一个编译时常量表达式

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

    int main() {
        const int a = 1;
        const int b = 2;
        constexpr int c = add(a, b); // error: add函数参数不是编译期常量
        return 0;
    }

由于add函数的参数a和b不是编译期常量，所以将其声明为constexpr将会编译出错。

三、constexpr变量

除了函数可以用constexpr声明外，变量同样可以用constexpr声明：

    constexpr int fib(int n) {
        return n == 1 || n == 2 ? 1 : fib(n - 1) + fib(n - 2);
    }

    constexpr int size = fib(8);

    int main() {
        int arr[size] = {0};
        return 0;
    }

上面代码展示了一个斐波那契数列，通过constexpr声明size变量，可以使它在编译期计算出fib(8)的结果，并在运行期使用size初始化数组。

四、constexpr和模板

constexpr和模板的结合可以产生更加强大的计算能力，例如：

    template
    constexpr int fib() {
        return N == 1 || N == 2 ? 1 : fib() + fib();
    }

    int main() {
        constexpr int size = fib();
        int arr[size] = {0};
        return 0;
    }

通过将计算过程放入模板中，我们可以在编译期计算出结果，并使用编译期产生的常量size来初始化数组。

五、总结

通过对C++ constexpr的学习，我们发现它可以将计算工作从运行时移动到编译时，提高程序执行效率。同时，它也有一定的限制，只有满足条件的函数和对象才能使用constexpr声明。

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