Modern C++ ——constexpr的用法

Reference

《现代C++语言核心特性解析》

为什么引入constexpr

1. const可以定义常量，但也可以用来定义只读变量。const变量的值不一定是在编译期可以确定的，比如当通过函数返回值进行初始化时。

2. C++标准委员会决定在C++11标准中定义一个新的关键字constexpr，它能够有效地定义常量表达式，并且达到类型安全、可移植、方便库和嵌入式系统开发的目的。

constexpr值

1. constexpr值即常量表达式值，该值必须编译期能够确定。

2. 常量表达式值必须被常量表达式初始化。

constexpr函数 (C++11)

（1）什么是constexpr函数？

constexpr不仅能用来定义常量表达式值，还能定义一个常量表达式函数，即constexpr函数，常量表达式函数的返回值可以在编译阶段就计算出来。

（2）C++11约束规则

1．函数必须返回一个值，所以它的返回值类型不能是void。
2．函数体必须只有一条语句：return expr，其中expr必须也是一个常量表达式。如果函数有形参，则将形参替换到expr中后，expr仍然必须是一个常量表达式。
3．函数使用之前必须有定义。
4．函数必须用constexpr声明。

（3）特殊情况

1. 用递归完成循环，实现函数体只有单语句。

//编译失败
constexpr int sum(int x)
{
  int result = 0;
  while (x > 0)
  {
       result += x--;
  }
  return result;
}

//可改为
constexpr int sum(int x)
{
  return x > 0 ? x + sum(x - 1) : 0;
}

2. if else双分支可以用条件表达式替代

//编译失败
constexpr int abs2(int x)
{
  if (x > 0) {
       return x;
  } else {
       return -x;
  }
}
//可改为
constexpr int sum(int x)
{
  return x > 0 ? x + sum(x - 1) : 0;
}

3. 当带形参的常量表达式函数接受了一个非常量实参时，常量表达式函数可能会退化为普通函数。

constexpr构造函数

（1）用途

constexpr可以声明基础类型从而获得常量表达式值，除此之外constexpr还能够声明用户自定义类型。

（2）相关规则：

1．构造函数必须用constexpr声明。
2．构造函数初始化列表中必须是常量表达式。
3．构造函数的函数体必须为空（这一点基于构造函数没有返回值，所以不存在return expr）。

（3）注意

最后需要强调的是，使用constexpr声明自定义类型的变量，必须确保这个自定义类型的析构函数是平凡的（Trivial destructor），否则也是无法通过编译的。平凡析构函数必须满足下面3个条件。
1．自定义类型中不能有用户自定义的析构函数。2．析构函数不能是虚函数。3．基类和成员的析构函数必须都是平凡的。

支持浮点数

在constexpr说明符被引入之前，C++程序员经常使用enum hack来促使编译器在编译阶段计算常量表达式的值。但是因为enum只能操作整型，所以一直无法完成对于浮点类型的编译期计算。constexpr说明符则不同，它支持声明浮点类型的常量表达式值，而且标准还规定其精度必须至少和运行时的精度相同

C++14对常量表达式函数的增强

1．函数体允许声明变量，除了没有初始化、static和thread_local变量。
2．函数允许出现if和switch语句，不能使用go语句。
3．函数允许所有的循环语句，包括for、while、do-while。
4．函数可以修改生命周期和常量表达式相同的对象。
5．函数的返回值可以声明为void。
6．constexpr声明的成员函数不再具有const属性。

#include <iostream>

class X {
public:
  constexpr X() : x1(5) {}
  constexpr X(int i) : x1(0)
  {
      if (i > 0) {  
          x1 = 5;
      }
      else {
          x1 = 8;
      }
  }
  constexpr void set(int i)  // 函数的返回值可以声明为constexpr void。 可以在常量表达式函数中被调用
  {
      x1 = i;
  }
  constexpr int get() const
  {
      return x1;
  }
private:
  int x1;
};

constexpr X make_x()
{
  X x;
  x.set(42);  
  return x;
}

int main()
{
  constexpr X x1(-1);
  constexpr X x2 = make_x();
  constexpr int a1 = x1.get();
  constexpr int a2 = x2.get();
  std::cout << a1 << std::endl;
  std::cout << a2 << std::endl;
}

C++17 constexpr lambda表达式

待续。