当前位置： 首页 > article >正文

C++中constexpr的作用

article 2025/1/23 6:13:54

C++中constexpr的作用

C++ 11 标准中，constexpr 可用于修饰普通变量、函数（包括模板函数）以及类的构造函数。

注意：获得在编译阶段计算出结果的能力，并不代表 constexpr修饰的表达式一定会在程序编译阶段被执行，具体的计算时机还是编译器说了算。

段计算出的结果精度很可能会受到影响，因此 C++11 标准规定，浮点常量表达式在编译阶段计算的精度要至少等于（或者高于）运行阶段计算出的精度。

1.2 constexpr修饰函数
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 并非可以修改任意函数的返回值。换句话说，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：

  1. 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。
    举个例子：

constexpr int display(int x) {
int ret = 1 + 2 + x;
return ret;
}

注意，这个函数是无法通过编译的，因为该函数的返回值用 constexpr 修饰，但函数内部包含多条语句。

如下是正确的定义 display() 常量表达式函数的写法：

constexpr int display(int x) {
//可以添加 using 执行、typedef 语句以及 static_assert 断言
return 1 + 2 + x;
}

可以看到，display() 函数的返回值是用 constexpr 修饰的 int 类型值，且该函数的函数体中只包含一个 return 语句。

  1. 该函数必须有返回值，即函数的返回值类型不能是 void。
    举个例子：

constexpr void display() {
//函数体
}
像上面这样定义的返回值类型为 void 的函数，不属于常量表达式函数。原因很简单，因为通过类似的函数根本无法获得一个常量。

  1. 函数在使用之前，必须有对应的定义语句。我们知道，函数的使用分为“声明”和“定义”两部分，普通的函数调用只需要提前写好该函数的声明部分即可（函数的定义部分可以放在调用位置之后甚至其它文件中），但常量表达式函数在使用前，必须要有该函数的定义。
    举个例子：

#include
using namespace std;

//普通函数的声明
int noconst_dis(int x);
//常量表达式函数的声明
constexpr int display(int x);

//常量表达式函数的定义
constexpr int display(int x){
return 1 + 2 + x;
}
int main()
{
//调用常量表达式函数
int a[display(3)] = { 1,2,3,4 };
cout << a[2] << endl;
//调用普通函数
cout << noconst_dis(3) << endl;
return 0;
}
//普通函数的定义
int noconst_dis(int x) {
return 1 + 2 + x;
}
1
程序执行结果为：

读者可自行将 display() 常量表达式函数的定义调整到 main() 函数之后，查看编译器的报错信息。可以看到，普通函数在调用时，只需要保证调用位置之前有相应的声明即可；而常量表达式函数则不同，调用位置之前必须要有该函数的定义，否则会导致程序编译失败。

  1. return 返回的表达式必须是常量表达式。
    举个例子：

#include
using namespace std;

int num = 3;
constexpr int display(int x){
return num + x;
}
int main()
{
//调用常量表达式函数
int a[display(3)] = { 1,2,3,4 };
return 0;
}

该程序无法通过编译，编译器报“display(3) 的结果不是常量”的异常。

常量表达式函数的返回值必须是常量表达式的原因很简单，如果想在程序编译阶段获得某个函数返回的常量，则该函数的 return 语句中就不能包含程序运行阶段才能确定值的变量。

注意，在常量表达式函数的 return 语句中，不能包含赋值的操作（例如 return x=1 在常量表达式函数中不允许的）。另外，用 constexpr 修改函数时，函数本身也是支持递归的，感兴趣的读者可自行尝试编码测试。

1.3 constexpr修饰类的构造函数
对于 C++ 内置类型的数据，可以直接用 constexpr 修饰，但如果是自定义的数据类型（用 struct 或者 class 实现），直接用 constexpr 修饰是不行的。

举个例子：

#include
using namespace std;

//自定义类型的定义
constexpr struct myType {
const char* name;
int age;
//其它结构体成员
};

int main()
{
constexpr struct myType mt{ “zhangsan”, 10 };
cout << mt.name << " " << mt.age << endl;
return 0;
}

此程序是无法通过编译的，编译器会抛出“constexpr不能修饰自定义类型”的异常。

当我们想自定义一个可产生常量的类型时，正确的做法是在该类型的内部添加一个常量构造函数。例如，修改上面的错误示例如下：

#include
using namespace std;
//自定义类型的定义
struct myType {
constexpr myType(char name,int age):name(name),age(age){};
const char name;
int age;
//其它结构体成员
};
int main()
{
constexpr struct myType mt { “zhangsan”, 10 };
cout << mt.name << " " << mt.age << endl;
return 0;
}
程序执行结果为：

zhangsan 10
1
可以看到，在 myType 结构体中自定义有一个构造函数，借助此函数，用 constexpr 修饰的 myType 类型的 mt 常量即可通过编译。

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，且采用初始化列表的方式为各个成员赋值时，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。

举个例子：

#include
using namespace std;

//自定义类型的定义
class myType {
public:
constexpr myType(const char name,int age):name(name),age(age){};
constexpr const char * getname(){
return name;
}
constexpr int getage(){
return age;
}
private:
const char name;
int age;
//其它结构体成员
};

int main()
{
constexpr struct myType mt { “zhangsan”, 10 };
constexpr const char * name = mt.getname();
constexpr int age = mt.getage();
cout << name << " " << age << endl;
return 0;
}
程序执行结果为：

zhangsan 10
注意，C++11 标准中，不支持用 constexpr 修饰带有 virtual 的成员方法。

1.4 constexpr修饰模板函数
C++11 语法中，constexpr 可以修饰模板函数，但由于模板中类型的不确定性，因此模板函数实例化后的函数是否符合常量表达式函数的要求也是不确定的。

针对这种情况下，C++11 标准规定，如果 constexpr 修饰的模板函数实例化结果不满足常量表达式函数的要求，则 constexpr 会被自动忽略，即该函数就等同于一个普通函数。

举个例子：

#include
using namespace std;

//自定义类型的定义
struct myType {
const char* name;
int age;
//其它结构体成员
};
//模板函数
template
constexpr T dispaly(T t){
return t;
}

int main()
{
struct myType stu{“zhangsan”,10};
//普通函数
struct myType ret = dispaly(stu);
cout << ret.name << " " << ret.age << endl;
//常量表达式函数
constexpr int ret1 = dispaly(10);
cout << ret1 << endl;
return 0;
}

程序执行结果为：

zhangsan 10
10
1
2
可以看到，示例程序中定义了一个模板函数 display()，但由于其返回值类型未定，因此在实例化之前无法判断其是否符合常量表达式函数的要求：

第 20 行代码处，当模板函数中以自定义结构体 myType 类型进行实例化时，由于该结构体中没有定义常量表达式构造函数，所以实例化后的函数不是常量表达式函数，此时 constexpr 是无效的；
第 23 行代码处，模板函数的类型 T 为 int 类型，实例化后的函数符合常量表达式函数的要求，所以该函数的返回值就是一个常量表达式。

  1. const与constexpr区别：
    一些读者在学习过程中，经常会把 const 和 constexpr 搞混，不知道什么时候用 const，什么时候用 constexpr。本节就带领大家对 const 和 constexpr 做系统地区分。

有关 constexpr 的功能和用法，您可以阅读《C++11 constexpr》一节。

我们知道，constexpr 是 C++ 11 标准新添加的关键字，在此之前（C++ 98/03标准）只有 const 关键字，其在实际使用中经常会表现出两种不同的语义。举个例子：

#include
#include
using namespace std;

void dis_1(const int x){
//错误，x是只读的变量
array <int,x> myarr{1,2,3,4,5};
cout << myarr[1] << endl;
}

void dis_2(){
const int x = 5;
array <int,x> myarr{1,2,3,4,5};
cout << myarr[1] << endl;
}

int main()
{
dis_1(5);
dis_2();
}
可以看到，dis_1() 和 dis_2() 函数中都包含一个 const int x，但 dis_1() 函数中的 x 无法完成初始化 array 容器的任务，而 dis_2() 函数中的 x 却可以。

这是因为，dis_1() 函数中的“const int x”只是想强调 x 是一个只读的变量，其本质仍为变量，无法用来初始化 array 容器；而 dis_2() 函数中的“const int x”，表明 x 是一个只读变量的同时，x 还是一个值为 5 的常量，所以可以用来初始化 array 容器。

C++ 11标准中，为了解决 const 关键字的双重语义问题，保留了 const 表示“只读”的语义，而将“常量”的语义划分给了新添加的 constexpr 关键字。因此 C++11 标准中，建议将 const 和 constexpr 的功能区分开，即凡是表达“只读”语义的场景都使用 const，表达“常量”语义的场景都使用 constexpr。

在上面的实例程序中，dis_2() 函数中使用 const int x 是不规范的，应使用 constexpr 关键字。

有读者可能会问，“只读”不就意味着其不能被修改吗？答案是否定的，“只读”和“不允许被修改”之间并没有必然的联系，举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int a = 10;
    const int & con_b = a;
    cout << con_b << endl;
    a = 20;
    cout << con_b << endl;
}

程序执行结果为：

可以看到，程序中用 const 修饰了 con_b 变量，表示该变量“只读”，即无法通过变量自身去修改自己的值。但这并不意味着 con_b 的值不能借助其它变量间接改变，通过改变 a 的值就可以使 con_b 的值发生变化。

在大部分实际场景中，const 和 constexpr 是可以混用的，例如：

const int a = 5 + 4;
constexpr int a = 5 + 4;

它们是完全等价的，都可以在程序的编译阶段计算出结果。但在某些场景中，必须明确使用 constexpr，例如：

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;

constexpr int sqr1(int arg){
    return arg*arg;
}

const int sqr2(int arg){
    return arg*arg;
}

int main()
{
    array<int,sqr1(10)> mylist1;//可以，因为sqr1时constexpr函数
    array<int,sqr2(10)> mylist1;//不可以，因为sqr2不是constexpr函数
    return 0;
}

其中，因为 sqr2() 函数的返回值仅有 const 修饰，而没有用更明确的 constexpr 修饰，导致其无法用于初始化 array 容器（只有常量才能初始化 array 容器）。

总的来说在 C++ 11 标准中，const 用于为修饰的变量添加“只读”属性；而 constexpr 关键字则用于指明其后是一个常量（或者常量表达式），编译器在编译程序时可以顺带将其结果计算出来，而无需等到程序运行阶段，这样的优化极大地提高了程序的执行效率。

该文章会更新，欢迎大家批评指正。

推荐一个零声学院的C++服务器开发课程，个人觉得老师讲得不错，
分享给大家：Linux，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，
fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，
TCP/IP，协程，DPDK等技术内容
点击立即学习：C/C++后台高级服务器课程


http://www.kler.cn/a/145757.html

相关文章：

  • linux下springboot项目nohup日志或tomcat日志切割处理方案
  • thinkphp8在使用apidoc时, 4层的接口会有问题 解决办法
  • 深入解析人工智能中的协同过滤算法及其在推荐系统中的应用与优化
  • c语言的分支与循环
  • 【高阶数据结构】布隆过滤器（BloomFilter）
  • 9. 神经网络（一.神经元模型）
  • 开源WIFI继电器之源代码
  • video标签在h5中被劫持问题
  • 开源vs闭源，处在大模型洪流中，向何处去？
  • YOLOv5结合华为诺亚VanillaNet Block模块
  • git 文件被莫名其妙的或略且无论如何都查不到哪个.gitignore文件忽略的
  • 【iOS】数据持久化（二）之归档和解档（iOS 13以后）
  • TypeScript 中的type与interface
  • 【Layui】动态时间线
  • 信创之国产浪潮电脑+统信UOS操作系统体验7：VSCode任务tasks.json的问题匹配器problemMatcher详解
  • 231126 刷题日报
  • 软件工程第十二周
  • C#，《小白学程序》第二十课：大数的加法（BigInteger Add）
  • 弹窗concrt140.dll丢失的解决方法，深度解析concrt140.dll丢失的原因
  • Linux中flask项目开启https访问
  • VUE简易计划清单
  • Unity编译报错Copying Assembly-CSharp.dll问题解决
  • ubuntu挂载硬盘方法
  • 解决hbuilder使用android studio模拟器不能热更新
  • 性能测试【一】：Jmeter的常用操作
  • Python 2.7 在 Debian 服务器上获取 URL 时的 SSL 验证失败问题与解决方案