C++ constexpr詳解

一、constexpr是什麼？

constexpr聲明指出，函數或對象在編譯時求值時，可以用於常量表達式。由此，我們可以將計算工作從運行時移動到編譯時。這樣做的好處是：編譯器可以在編譯階段進行優化，提高程序執行效率。

    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;
    }

上面的代碼展示了一個簡單的遞歸階乘函數，通過constexpr可以使其在編譯期計算出正確結果。由於編譯階段進行的計算，所以val是一個常量表達式，並且可以用於編譯時的靜態斷言檢查。

二、constexpr的限制

使用constexpr聲明的函數和對象有一定的限制：

1. 函數必須是單一返回語句，或每個分支必須返回相同的值

2. 函數不能包含循環或遞歸，除非循環次數是編譯時常量

3. 函數參數必須是文字常量、引用或指向文字常量的指針

4. 對象必須初始化為一個編譯時常量表達式

    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函數參數不是編譯期常量
        return 0;
    }

由於add函數的參數a和b不是編譯期常量，所以將其聲明為constexpr將會編譯出錯。

三、constexpr變量

除了函數可以用constexpr聲明外，變量同樣可以用constexpr聲明：

    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;
    }

上面代碼展示了一個斐波那契數列，通過constexpr聲明size變量，可以使它在編譯期計算出fib(8)的結果，並在運行期使用size初始化數組。

四、constexpr和模板

constexpr和模板的結合可以產生更加強大的計算能力，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;
    }

通過將計算過程放入模板中，我們可以在編譯期計算出結果，並使用編譯期產生的常量size來初始化數組。

五、總結

通過對C++ constexpr的學習，我們發現它可以將計算工作從運行時移動到編譯時，提高程序執行效率。同時，它也有一定的限制，只有滿足條件的函數和對象才能使用constexpr聲明。