C++11 新特性：常量表达式 constexpr（上）

C++11 引入了constexpr关键字，用于定义常量表达式，从而使变量获得在编译阶段即可计算出结果的能力，提高运行时的效率。

constexpr 的使用分两篇文章介绍，今天这篇文章主要讲解什么是常量表达式和 constexpr 典型使用场景的前三种用法。constexpr 在模板编程中的使用，在下篇文章中进行讲述。

什么是常量表达式

常量表达式（Constant Expression）指的是值在编译时就已经确定，并且在程序执行过程中不会改变的表达式。

在 C++ 中，常量表达式可以用于定义编译时常量、数组的大小、整型模板参数、编译时断言等场合，是提高程序效率、实现编译时计算的重要工具。

我们知道，C++ 在定义数组的时候，必须指定数组长度，长度不能用变量指定。

int myArray[10]; // 正确
int myArray[6 + 4]; // 正确
int len = 6;
int myArray[len]; // 错误，len 是变量

这里的 len 可以使用常量表达式替代。

常量表达式的特点

编译时计算：保证变量或函数在编译时被求值，前提是所有参数或初始值也都是常量表达式。
不变性：一旦编译确定，其值在程序运行期间不会改变。
提高性能：通过在编译时进行计算，减少了运行时的计算负担。
类型安全：与预处理器宏相比，常量表达式是类型安全的。

常量表达式的用途

定义常量：提供编译时的常量定义，如数组大小、枚举值等。
模板编程：作为模板参数，尤其是非类型模板参数，提供编译时的灵活性和强大功能。
编译时断言：配合 static_assert 使用，进行编译时的条件检查。

constexpr 是对 C++ 中常量表达式概念的扩展，它可以用于变量、函数以及构造函数等。除了具有上述常量表达式的特点，constexpr 的使用范围更广。

constexpr 典型使用场景

定义常量：用于定义编译时常量。
编译时函数计算：定义能在编译时求值的函数。
用于类和构造函数：在编译时创建对象。
用于模板编程：在模板元编程和编译时断言中使用，根据编译时计算的结果做出决策。

1、定义常量

const int maxSize = 100; // 基本的常量表达式
constexpr int limit = maxSize + 1; // 编译时常量表达式constexpr size_t arraySize = 10;
int myArray[arraySize]; // 使用常量表达式作为数组大小

2、编译时函数计算

constexpr 还可以用于修饰函数的返回值，这样的函数又称为「常量表达式函数」。

注意，constexpr 函数体内的所有操作都必须是编译时确定的。一个函数要想成为常量表达式函数，必须满足如下 4 个条件。

整个函数的函数体中，除了可以包含 using 指令、typedef 语句以及 static_assert 断言外，只能包含一条 return 返回语句。
该函数必须有返回值，即函数的返回值类型不能是 void。
函数在使用之前，必须有对应的定义语句。普通的函数调用只需要提前写好该函数的声明部分即可，但常量表达式函数在使用前，必须要有该函数的定义。
return 返回的表达式必须是常量表达式

constexpr int factorial(int n) {return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}int main() {constexpr int val = factorial(5); // 在编译时计算5!static_assert(val == 120, "Factorial of 5 should be 120."); // 使用编译时断言验证结果return 0;
}

3、用于类和构造函数

constexpr 也可以用于构造函数，使得对象可以在编译时被创建。

注意，constexpr 修饰类的构造函数时，要求该构造函数的函数体必须为空，采用初始化列表的方式为各个成员赋值，且必须使用常量表达式。

前面提到，constexpr 可用于修饰函数，而类中的成员方法完全可以看做是「位于类这个命名空间中的函数」，所以 constexpr 也可以修饰类中的成员函数，只不过此函数必须满足前面提到的 4 个条件。

示例代码如下：

class Point {
public:constexpr Point(double xVal, double yVal) : x(xVal), y(yVal) {}constexpr double getX() const { return x; }constexpr double getY() const { return y; }private:double x, y;
};int main() {constexpr Point p(9.5, 7.3); // 编译时创建Point对象static_assert(p.getX() == 9.5, "X should be 9.5."); // 编译时断言return 0;
}