C++新特性揭秘：从C++11到C++20的constexpr演变

# 1. C++中的constexpr概念与早期应用

C++作为一种静态类型编程语言，提供了一种特殊的编译时常量表达式机制 - `constexpr`。`constexpr`在C++中的概念可以被理解为一种用于声明可以在编译时计算其值的变量或函数的修饰符。

早期`constexpr`被引入C++是为了提高程序的性能，通过让编译器在编译时期就能知道特定变量的值，从而在程序中生成更高效的机器码。它不仅可以用于简单的常量值，还可以用于更复杂的编译时计算，比如使用条件编译和循环等。

constexpr int factorial(int n) {
  return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

constexpr int fact6 = factorial(6); // 编译时期计算结果为720

以上代码中，我们定义了一个`factorial`函数来计算阶乘，声明为`constexpr`意味着此函数可以在编译时期求值。通过`constexpr`修饰的变量`fact6`，在编译时就能得到计算结果。

在早期的应用中，`constexpr`主要用于定义常量表达式，在C++11以后，随着语法和应用的不断扩展，`constexpr`的应用逐渐变得更加丰富和深入。接下来，我们将详细探讨C++11中`constexpr`的深入解析。

# 2. C++11的constexpr深入解析

## 2.1 constexpr函数的特性与限制

### 2.1.1 constexpr函数的基本语法

C++11引入的`constexpr`关键字，允许函数的返回值可以是一个编译时常量。这样的函数能够用来初始化`constexpr`变量，使得编译时就能确定其值，从而进行常量传播、常量折叠等优化操作，提升程序的性能。

一个基本的`constexpr`函数需要满足以下条件：

- 函数体只能包含一个`return`语句。
- 返回类型和参数类型都必须是字面类型（Literal Type），比如算术类型、引用、`std::nullptr_t`、`std::complex`等。
- 函数体内不允许有复杂的控制流语句（如循环、异常处理等）。

下面是一个简单的`constexpr`函数示例：

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

这段代码定义了一个返回平方结果的`constexpr`函数。在编译时期，如果传入的参数是编译时常量，那么该函数就会被当作编译时表达式求值。

### 2.1.2 constexpr与编译时常量的联系

`constexpr`变量是可以在编译时期确定值的常量，它们与`constexpr`函数紧密相关。编译器在编译过程中对`constexpr`变量的值进行计算，使得这些变量在程序运行前就已经有确定的值。

constexpr int max_size = 100;  // 编译时常量

当`constexpr`变量被用在需要编译时常量的地方（比如数组大小、整数常量表达式等），编译器会检查该变量是否确实是一个编译时常量。如果是`constexpr`函数的结果，那么这个函数的调用就是编译时常量表达式的一部分。

constexpr int array_size = square(10);  // 编译时常量表达式
int arr[array_size];                    // 合法，array_size是编译时确定的

上面的代码中，`array_size`是一个编译时常量，因为它是由`constexpr`函数`square`计算得到的结果。在定义数组`arr`时，因为其大小是由`array_size`这个编译时常量确定的，所以这是合法的。

## 2.2 constexpr变量的扩展应用

### 2.2.1 全局constexpr变量

全局作用域内声明的`constexpr`变量能够被用作编译时常量，这使得它们在各种需要编译时常量的场景中非常有用，比如模板参数、数组大小、枚举声明等。

constexpr int global_size = 128;  // 全局编译时常量
template <int Size>
class StaticArray {
    int array[Size];  // Size是编译时常量，允许是constexpr变量
};

在上述示例中，`global_size`是一个全局`constexpr`变量，它可以被用作`StaticArray`模板类的编译时常量参数。

### 2.2.2 局部constexpr变量

局部作用域内同样可以声明`constexpr`变量。与全局`constexpr`变量不同的是，局部`constexpr`变量需要在声明的时候就初始化，因为它们的生命周期只限于声明所在的代码块。

void function() {
    constexpr int local_size = 256;  // 局部编译时常量
    int arr[local_size];             // 合法，local_size是编译时确定的
}

在函数`function`内部，`local_size`是一个局部的`constexpr`变量，它用于定义数组`arr`的大小，这也是合法的。尽管`local_size`是局部作用域的，但由于其值在编译时期就能确定，因此不影响数组大小的编译时计算。

## 2.3 constexpr的限制与优化策略

### 2.3.1 非受限的 constexpr 函数

虽然`constexpr`函数被设计为在编译时期求值，但并非所有的`constexpr`函数都必须在编译时计算。C++11规定，如果`constexpr`函数在运行时被调用，或者编译时期无法求值，那么它仍然可以作为普通的函数运行，而不必声明为`constexpr`。

constexpr int max(int a, int b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

int main() {
    int value = 10;
    int runtime_max = max(value, 20);  // 运行时计算
}

在这个例子中，`max`函数在编译时期无法确定参数`value`的值，因此在`main`函数中它以普通函数的形式运行。

### 2.3.2 constexpr的编译时检查和性能优化

`constexpr`使得很多原本只能在运行时进行的检查提前到编译时期。这不仅减少了程序的运行开销，还增强了代码的健壮性，因为编译器可以在代码生成阶段发现潜在的问题。

constexpr int safe_divide(int x, int y) {
    if (y == 0) {
        throw std::invalid_argument("Division by zero.");
    }
    return x / y;
}

在这个`safe_divide`函数中，编译器会检查除数是否为零，如果在编译时期传入了`y == 0`，编译器将报错，而不是等到程序运行时才出错。这样不仅性能有所提升，还避免了运行时的异常。

此外，将计算尽可能移动到编译时期，可以让编译器执行更多的优化操作，比如常量传播（Constant Propagation）、死代码消除（Dead Code Elimination）和公共子表达式消除（Common Subexpression Elimination）。

| 优化策略 | 描述 |
|-----------------------|------------------------------------------------------------|
| 常量传播 | 在编译时直接用常量替换变量的引用 |
| 死代码消除 | 编译器发现永远不会执行的代码时，会将其删除 |
| 公共子表达式消除 | 如果计算了相同表达式的值，编译器会将其存储在一个临时变量中，并在需要时重用 |

通过这些编译时的优化策略，`constexpr`可以显著提升程序的运行时性能，尤其是在嵌入式系统和高性能计算应用中。

在这一章节中，我们从基本的`constexpr`函数和变量入手，逐步探究了它们的特性和限制。我们了解了如何在全局和局部作用域中声明`constexpr`变量，并讨论了`constexpr`函数的灵活应用。在深入探讨了`constexpr`在编译时检查和性能优化中的作用之后，我们开始为理解 constexpr 在 C++ 中的进一步发展打下坚实的基础。

# 3. C++14对constexpr的改进与案例分析

## 3.1 constexpr的放宽限制

### 3.1.1 非整型常量表达式

在C++11标准中，constexpr限定的表达式和函数基本上限于整数类型。C++14打破了这一限制，允许编写用于浮点数的constexpr函数，以及处理非整型数据的编译时计算。这一改进显著增加了constexpr的实用性，允许更多的常量表达式