怎么使用C++11-20常量表达式

这篇文章主要讲解了“怎么使用C++11-20常量表达式”，文中的讲解内容简单清晰，易于学习与理解，下面请大家跟着小编的思路慢慢深入，一起来研究和学习“怎么使用C++11-20常量表达式”吧！

C++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);  }

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