C++ 中的 const 和 constexpr: 深入对比与最佳实践

C++ 是一门强调性能和灵活性的编程语言, const 和 constexpr 是其中两个非常重要的修饰符, 用于处理常量. 然而, 许多开发者在使用时容易混淆它们的用法和适用场景. 本文将深入对比这两个关键字, 提供全面的指导, 帮助您更好地理解和使用它们.

一. 使用场景对比

我们将通过不同的使用场景对 const 和 constexpr 的表现进行对比:

1. 存储空间

• const:
  • const 变量可能存储在常量数据区, 也可能存储在栈上, 这取决于变量是否有链接性以及编译器优化.

    const int runtime_const = 42; // 在某些情况下可能存储在 .rodata 区域
    int main() {
        const int local_const = 10; // 编译器可能将其存储在栈上
        return 0;
    }
    

  • 对于大多数场景, 运行期的 const 变量不会直接节省存储空间.
• constexpr:
  • constexpr 变量在编译期求值, 其结果直接嵌入到代码中, 可以显著减少运行时的内存占用.
  • 这种优化能避免运行时的额外存储开销, 尤其在嵌入式系统中具有巨大优势.

    constexpr int compile_time_const = 42;
    int main() {
        int result = compile_time_const + 10; // 会直接将计算结果嵌入到指令中，无需分配存储空间
        return result;
    }
    

    汇编代码

    main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 52
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        pop     rbp
        ret
    

2. 修饰普通变量

• const:
  • 运行期或编译期均可定义常量.

    const int a = 42; // 可以绑定常量
    void fun(std::string& s) {
        // 可以绑定动态值, 只表明size为只读属性
        const auto size = s.size();
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            // ...
        }
    }
    

• constexpr:
  • 必须在编译期确定值.

    constexpr int square(int x) { return x * x; }
    constexpr int b = 42;         // OK, 常量
    constexpr int c = square(b);  // OK, 常量函数返回值
    

  • 一个自定义的类需要有 constexpr 构造函数,才可以定义 constexpr 实例.

3. 修饰指针

• const:

  • 可以修饰指针或指针所指向的值.

    const int* ptr = nullptr;   // 指针所指的值是常量
    int* const cptr = nullptr;  // 指针本身是常量
    
    int a = 0;
    const int c = 1;
    ptr = &a;  // OK
    ptr = &c;  // OK
    
    // ptr = 3;    // Error, 不能通过常量指针修改值
    // cptr = &a;  // Error, 不能改变指针指向
    // cptr = &c;  // Error, 不能改变指针指向
    

• constexpr:

  • 修饰的指针必须在编译期求值.

    constexpr int* np = nullptr;  // OK
    
    static int sa = 0;         // 静态变量
    constexpr int* psa = &sa;  // OK
    
    static const int ca = 0;         // 静态常量
    constexpr const int* pca = &ca;  // OK
    
    static constexpr int sb = 0;     // 静态constexpr
    constexpr const int* psb = &sb;  // OK
    
    constexpr int x = 42;
    constexpr const int* p2 = &x;  // Error
    
    const int cy = 1;
    constexpr const int* p3 = &cy;  // Error
    

4. 修饰引用

• const:

  • 可以修饰引用, 使其引用的值不可更改.

    int x = 0;
    
    int& ref = x;
    ref = 1;  // OK
    
    const int& cref = x;
    cref = 1;  // Error, 不可以通过常量引用改变绑定变量值
    

• constexpr:

  • 只能绑定到静态变量.

    static int sa = 1;
    constexpr const int& rsa = sa;  // rsa 是绑定到 sa 的引用
    sa = 1;                         // OK
    rsa = 1;                        // Error
    
    static constexpr int sca = 42;   // 静态constexpr
    constexpr const int& ref = sca;  // ref 是绑定到 sca 的引用
    sca = 1;                         // Error
    ref = 1;                         // Error
    

5. 修饰函数

• const:
  • 不能修饰函数本身.
  • 可用于修饰类成员函数, 表示不会修改类的成员变量, 后面会讲到.
• constexpr:
  • 支持修饰函数.
  • constexpr 函数在编译期求值, 但需要满足以下限制:
    • 返回值和参数必须是常量表达式.
    • 函数体中仅允许使用常量表达式.

    constexpr int square(int x) {
        return x * x;
    }
    

6. 修饰类成员函数

• const:

  • 表示成员函数不会修改类的成员变量.

    class MyClass {
    public:
    // 表示该函数不修改成员变量
    int size() const { return size_; }
    
    private:
    int size_ = 0;
    };
    

• constexpr:

  • 表示成员函数可以在编译期求值.

    class MyClass {
    public:
    // 表示该函数不修改成员变量, 且可以在编译时求值
    constexpr int size() const { return size_; }
    
    private:
    int size_ = 0;
    };
    

二. const 和 constexpr 的历史演进

随着 C++ 标准的迭代, constexpr 的功能得到了极大增强.

C++11

• 引入 constexpr, 允许声明编译期常量和常量表达式函数.
• 受限于当时的标准, constexpr 函数:
  • 返回值必须是常量表达式.
  • 函数体中只能包含单一 return 语句.
  • 不支持 if, for 等复杂语句.

C++14

• 解除了一些限制:
  • 函数体中允许包含局部变量.
  • 支持更复杂的控制流, 如 if-else 和 for.

C++17

• 引入 inline constexpr, 支持更灵活的代码组织.
• 扩展了 constexpr 对常量表达式构造的支持.

C++20

• 几乎解除所有限制:
  • 允许动态分配内存(通过 new).
  • 可以捕获异常.

五. 常见问题解答(FAQ)

Q: const 和 constexpr 可以互相替代吗?

A: 不可以. constexpr 适用于编译期计算, 而 const 主要限制值的修改.

Q: 什么时候优先使用 constexpr?

A: 当值必须在编译期确定时, 优先使用 constexpr.

Q: constexpr 的性能优势体现在什么地方?

A: 通过将运行时计算迁移到编译期, 可以减少运行时开销.

六. 总结回顾

通过本文, 我们详细比较了 const 和 constexpr 在存储空间, 变量修饰, 函数修饰, 指针与引用修饰, 以及类成员函数中的表现. 同时, 我们探讨了它们的历史演进和模板应用, 并列举了常量表达式的具体应用场景.

掌握这两个关键字的区别与用法, 不仅可以写出更加高效的代码, 还能避免很多潜在的错误. 希望本文对您有所帮助!