C++ 常量表达式 C++11-20 常量表达式的使用
oowgsoo 人气:0C++98时代
C++98编译器对int常量情有独钟，因为这是少数它能直接识别的东西。因为这个有限的能力，编译器就能够预先判定数组的大小了：
TEST_METHOD(TestConstVar)
{
//int n = 3;
const int n = 3;
int a[n] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
const int m = n * 3;
int b[m] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(b));
}
并由此还引入了一个“常量折叠”的概念，即编译器会自动将所有const int变量的引用全部替换为常量：
TEST_METHOD(TestConstVarFold)
{
const int a = 10;
int b = 2 * a;
int* p = (int*)&a;
*p = 100;
// 没有常量折叠？
Assert::AreEqual(100, a);
Assert::AreEqual(20, b);
Assert::AreEqual(100, *p);
}
我们不必纠结于这里的a到底是10还是100，这完全取决于编译器的实现。而实际工作中谁要写出这样的代码，直接拖出去打死了事。
C++11时代
constexpr值
C++98编译器对常量的那点有限智商实在是令人着急。C++11干脆就引入了一个新的关键字constexpr，以便让编译器可以做更多的事情。
TEST_METHOD(TestConstExprVar)
{
constexpr int n = 3;
int a[n] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
constexpr int m = n * 3;
int b[m] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(b));
}
constexpr看起来和const没啥区别嘛？但实际上，你可以把constexpr理解为真正的编译期常量，而const实际上是运行期常量，以前之所以能在编译期起作用完全是不得已的救场客串行为。
constexpr函数
当然，如果constexpr仅仅有这点作用，那是绝对不会被作为新的关键字引入的。更为重要的是，既然编译期已经知道constexpr就代表编译期可以运行的东西，那么它为什么不可以修饰函数？让只能在运行期调用的函数可以在编译期起作用：
static constexpr int size()
{
return 3;
}
static constexpr int sqrt(int n)
{
return n * n;
}
static constexpr int sum(int n)
{
return n > 0 ? n + sum(n - 1) : 0;
}
TEST_METHOD(TestConstExprFunc)
{
int a[size()] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
int b[sqrt(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(b));
int c[sum(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(6), _countof(c));
}
当然，在C++11阶段，这种constexpr函数限制很多：
- 函数必须返回一个值，不能是void
- 函数体只能有一条语句return
- 函数调用前必须被定义
- 函数必须用constexpr声明
浮点型常量
尽管有些限制，但是毕竟也是个函数，所以要实现C++98编译期头疼的浮点型常量也变得很简单了：
static constexpr double pi()
{
return 3.1415926535897;
}
TEST_METHOD(TestConstExprDouble)
{
int a[(int)pi()] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
}
constexpr类
C++的一大特点就是面向对象的，既然constexpr可以修饰函数了，那为什么不能修饰成员函数呢？
class N
{
private:
int m_n;
public:
constexpr N(int n = 0)
:m_n(n)
{
}
constexpr int getN() const
{
return m_n;
}
};
TEST_METHOD(TestConstExprConstruct)
{
constexpr N n(3);
int a[n.getN()] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
}
C++14时代
C++11的constexpr很好，很强大。但是最为令人诟病的就是constexpr函数限制实在是太多了。于是C++14开始为其松绑：
static constexpr int abs(int n)
{
if (n > 0)
{
return n;
}
else
{
return -n;
}
}
static constexpr int sumFor(int n)
{
int s = 0;
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
s += i;
}
return s;
}
static constexpr int next(int n)
{
return ++n;
}
TEST_METHOD(TestConstExprFunc14)
{
int a[abs(-3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
int b[sumFor(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(6), _countof(b));
int c[next(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(4), _countof(c));
}
基本上，这基本上就是真正的函数了，不再限制为只能一行代码了：
- 可以使用分支控制语句了
- 可以使用循环控制语句了
- 可以修改生命周期和常量表达式相同的变量了，所以连++n之类的表达式也可以支持了
甚至连函数必须返回一个值，不能是void的限制也被取消了，所以可以写setN之类的函数了，不过这个不太常用。
C++17时代
C++17进一步把constexpr的范围扩展到了lambda表达式：
static constexpr int lambda(int n)
{
return [](int n) { return ++n; }(n);
}
TEST_METHOD(TestConstExprLambda)
{
int a[lambda(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(4), _countof(a));
}
为了让一个函数可以适应更多的情况，C++17还把黑手伸向了if语句，引入了所谓的“if constexpr”：
template<typename T>
static bool is_same_value(T a, T b)
{
if constexpr (std::is_same<T, double>::value)
{
if (std::abs(a - b) < 0.0001)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
else
{
return a == b;
}
}
TEST_METHOD(TestConstExprIf)
{
Assert::AreEqual(false, is_same_value(5.6, 5.11));
Assert::AreEqual(true, is_same_value(5.6, 5.60000001));
Assert::AreEqual(true, is_same_value(5, 5));
}
以前，类似的代码需要一个模板函数加上一个特化函数，现在一个函数就搞定了，真好。
C++20时代
不出意料，C++20继续把黑手伸向更多的地方
constexpr和异常：
static constexpr int funcTry(int n)
{
try
{
if (n % 2 == 0)
{
return n / 2;
}
else
{
return n;
}
}
catch (...)
{
return 3;
}
}
TEST_METHOD(TestConstExprTry)
{
int a[funcTry(6)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
int b[funcTry(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(b));
}
constexpr和union：
union F
{
int i;
double f;
};
static constexpr int funcUnion(int n)
{
F f;
f.i = 3;
f.f = 3.14;
return n;
}
TEST_METHOD(TestConstExprUnion)
{
int a[funcUnion(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
}
constexpr和虚函数
这个有点过分，不知道有多少实际用处，略。
立即函数
用consteval修饰的函数，表示在编译期可以立即执行，如果执行不了就报错。
static consteval int sqr(int n)
{
return n * n;
}
TEST_METHOD(TestConstEval)
{
int a[sqr(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(a));
}
感知常量环境
这个有点意思，如果可以感知是否是常量环境，就可以让一个函数分别给出编译期的实现和运行期的实现，其方法是使用std::is_constant_evaluated()：
static constexpr double power(double b, int n)
{
if (std::is_constant_evaluated() && n >= 0)
{
double r = 1.0, p = b;
unsigned u = unsigned(n);
while (u != 0)
{
if (u & 1) r *= p;
u /= 2;
p *= p;
}
return r;
}
else
{
return std::pow(b, double(n));
}
}
TEST_METHOD(TestConstEvaluated)
{
constexpr double p = power(3, 2);
Assert::AreEqual(9.0, p, 0.001);
int m = 2;
Assert::AreEqual(9.0, power(3, m), 0.001);
}
参考资料
《现代C++语言核心特性解析》
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