C++知识整理系列（三）—— constexpr常量表达式

article/2025/10/8 6:28:06

const修饰常量，但是const并未区分编译时常量和运行时常量，而constexpr则只能是编译时常量，在C++11中提出。
这篇文章，将详细讲解constexpr。

一、常量表达式

常量表达式（const expression）：指值不会改变并且在编译阶段过程就能得到计算结果的表达式。

以下两种是常量表达式：

const int maxSize = 10;
const int limit = maxSize + 1;

以下两种不是常量表达式：

int staff_size = 27;
const int sz = get_size();

staff_size的初始值虽然是个字面值常量，但它的数据类型只是普通的int而非const int，还是可以被重新赋值的，所以不是常量表达式。
sz本身是一个常量，但它的具体值直到运行时才能获取到，所以也不是常量表达式。

二、constexpr变量

在一个复杂系统中，很难分辨一个初始值到底是不是常量表达式。从前面的例子可以发现，即使变量加上const，但是赋值是在运行时确定的也不是常量表达式。

C++11新标准规定，允许将变量声明为constexpr类型以便由编译器来验证变量的值是否是一个常量表达式。

声明为constexpr的变量一定是一个常量。
必须用常量表达式初始化。

constexpr int mf = 20;					//20是常量表达式
constexpr int limit = mf + 1;			//mf + 1是常量表达式
constexpr int sz = size();				//只有当size是一个constexpr函数时才是一条正确的声明语句

size()函数也需要constexpr修饰，成为constexpr函数。

三、constexpr函数

constexpr函数指能用于常量表达式的函数。定义constexpr函数有几项约定：

函数的返回值类型及所有的类型都得是字面值类型。
函数体中必须有且只有一条return语句。

constexpr int new_sz() { return 40; }
constexpr int foo = new_sz();		//正确：foo是一个常量表达式

因为编译器能在程序编译时验证new_sz函数返回的是常量表达式，所以可以用new_sz函数初始化constexpr类型的变量foo。

（1）执行初始化任务时，编译器把对constexpr函数的调用替换成其结果值。为了能在编译过程中随时展开，constexpr函数被隐式地指定为内联函数。

（2）constexpr函数体内也可以包含其他语句，只要这些语句在运行时不执行任何操作就行。例如，constexpr函数中可以有空语句、类型别名、using声明。

（3）constexpr函数的返回值可以不是一个常量：

//cnt如果是常量表达式，返回值就是常量表达式
constexpr size_t scale(size_t cnt) { return new_sz() * cnt; }

比如，下面两个例子：

int arr[scale(2)];			//正确：scale(2)是常量表达式
int i = 3;
int a[scale(i)];			//错误：scale(i)不是常量表达式

给scale传入字面值为2的常量表达式时，它的返回类型也是常量表达式。此时编译器用对应的结果值（80）替换为对scale函数的调用。
当我们用一个非常量表达式调用scale函数时，比如int i = 3的对象i，返回值则不是一个常量表达式。当把scale函数用在需要常量表达式的上下文中时，编译器发现不是常量表达式，发出错误信息。

（4）constexpr函数通常定义在头文件中。因为编译器要想展开函数不仅需要函数声明还需要函数定义，而constexpr函数可以在程序中多次定义，但多个定义必须完全一致。

四、字面值类型

常量表达式的值需要在编译时就得到计算，因此对声明constexpr时用到的类型必须有所限制。因为这些类型一般比较简单，值也显而易见、容易得到，称之为"字面值类型"（literal type）。

字面值类型包括：算数类型、引用、指针，自定义类、string等类型不是字面值类型，也就不能定义成constexpr。

尽管指针和引用都能定义成constexpr，但它们的初始值却受到严格限制。一个constexpr指针的初始值必须是nullptr或者0，或者是存储在某个固定地址中的对象。

函数体内定义的变量一般来说并非存放在固定地址中，因此constexpr指针不能指向这样的变量。相反的，定义在函数体之外的对象地址固定不变，能用来初始化constexpr指针。

五、指针和constexpr

（1）如果在constexpr声明中定义了一个指针，限定符constexpr仅对指针有效，与指针所指的对象无关。

const int *p = nullptr;					//p是一个指向整数常量的指针
constexpr int *q = nullptr;				//q是一个指向整数的常量指针

q是一个常量指针，因为constexpr把它所定义的对象置为了顶层const。类似于：int *const q = nullptr;

（2）与其他常量指针类似，constexpr指针即可以指向常量也可以指向一个非常量：

constexpr int *np = nullptr;			//np是一个指向整数的常量指针，其值为空
int j = 0;
constexpr int i = 40;					//i的类型是整数常量
//假设i和j都定义在函数体之外
constexpr const int *p = &i;			//p是常量指针，指向整型常量i
constexpr int *p1 = &j;					//p1是常量指针，指向整数j