C++ 语言 constexpr 关键字 - constexpr 函数 - 字面值常量类

心已赠人 2022-09-05 04:16 173阅读 0赞

#  C++ 语言 constexpr 关键字 - constexpr 函数 - 字面值常量类 #

**常量表达式 (const expression) 是指值不会改变并且在编译过程就能得到计算结果的表达式。**字面值属于常量表达式，用常量表达式初始化的 `const` 对象也是常量表达式。

一个对象 (或表达式) 是不是常量表达式由它的数据类型和初始值共同决定。

const int max_files = 20;  // max_files 是常量表达式
    	const int limit = max_files;  // limit 是常量表达式
    	int staff_size = 27;  // staff_size 不是常量表达式
    	const int sz = get_size();  // sz 不是常量表达式

尽管 `staff_size` 的初始值是个字面值常量，但由于它的数据类型只是一个普通 `int` 而非 `const int`，所以它不属于常量表达式。另一方面，尽管 `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。

## 1. `constexpr` 变量 ##

可以定义一个 `const` 变量并把它的初始值设为我们认为的某个常量表达式，但在实际使用时，尽管要求如此却常常发现初始值并非常量表达式的情况。在此种情况下，对象的定义和使用根本就是两回事儿。

C++11 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，而且必须用常量表达式初始化。

constexpr int val = 166;  // 20 是常量表达式
    	constexpr int value = val + 1;  // val + 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

尽管不能使用普通函数作为 `constexpr` 变量的初始值，新标准允许定义一种特殊的 `constexpr` 函数。这种函数应该足够简单以使得编译时就可以计算其结果，这样就能用 `constexpr` 函数去初始化 `constexpr` 变量了。如果你认定变量是一个常量表达式，那就把它声明成 `constexpr` 类型。

## 2. 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，就把它们称为字面值类型 (literal type)。算术类型、引用和指针都属于字面值类型。自定义类、IO 库、`string` 类型则不属于字面值类型，也就不能被定义成 `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，或者是存储于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，定义于所有函数体之外的对象其地址固定不变，能用来初始化 `constexpr` 指针。允许函数定义一类有效范围超出函数本身的变量，这类变量和定义在函数体之外的变量一样也有固定地址。因此，`constexpr` 引用能绑定到这样的变量上，`constexpr` 指针也能指向这样的变量。**

## 3. 指针和 `constexpr` ##

在 `constexpr` 声明中如果定义了一个指针，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 是一个指向整型常量的指针
    constexpr int *q = nullptr;  // q 是一个指向整数的常量指针

`p` 和 `q` 的类型相差甚远，`p` 是一个指向常量的指针，而 `q` 是一个常量指针，其中的关键在于 `constexpr` 把它所定义的对象置为了顶层 `const`。与其他常量指针类似，`constexpr` 指针既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 = 42;  // i 的类型是整型常量
    
    
    	// i 和 j 都必须定义在函数体之外，保证 expression must have a constant value。
    	constexpr const int *p1 = &i;  // p1 是常量指针，指向整型常量 i
    	constexpr int *p2 = &j;  // p2 是常量指针，指向整数 j

## 4. constexpr 函数 ##

`constexpr` 函数 (constexpr function) 是指能用于常量表达式的函数。定义 `constexpr` 函数的方法与其他函数类似，不过要遵循几项约定：函数的返回 类型及所有形参的类型都得是字面值类型，而且函数体中必须有且只有一条 `return` 语句：

constexpr int new_sz() { return 42; }
    constexpr int foo = new_sz();  // 正确：foo 是一个常量表达式

我们把 `new_sz` 定义成无参数的 `constexpr` 函数。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`。

执行该初始化任务时，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。**

`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、类型别名以及 `using` 声明。

我们允许 `constexpr` 函数的返回值并非一个常量：

// 如果 arg 是常量表达式，则 scale(arg) 也是常量表达式
    constexpr size_t scale(size_t ent) { return new_sz() * ent; }

当 `scale` 的实参是常量表达式时，它的返回值也是常量表达式；反之则不然：

int arr[scale(2)];  // 正确：scale(2) 是常量表达式
    int i = 2;  // i 不是常量表达式
    int a2[scale(i)];  // 错误：scale(i) 不是常量表达式

当我们给 `scale` 函数传入一个形如字面值 `2` 的常量表达式时，它的返回类型也是常量表达式。编译器用相应的结果值替换对 `scale` 函数的调用。

如果我们用一个非常量表达式调用 `scale` 函数，比如 `int` 类型的对象 `i`，则返回值是一个非常量表达式。**当把 `scale` 函数用在需要常量表达式的上下文中时，由编译器负责检查函数的结果是否符合要求。如果结果恰好不是常量表达式，编译器将发出错误信息。**

**constexpr 函数不一定返回常量表达式。**

### 4.1 把内联函数和 constexpr 函数放在头文件内 ###

和其他函数不一样，内联函数和 `constexpr` 函数可以在程序中多次定义。编译器要想展开函数仅有函数声明是不够的，还需要函数的定义。对于某个给定的内联函数或者`constexpr` 函数来说，它的多个定义必须完全一致。基于这个原因，内联函数和 `constexpr` 函数通常定义在头文件中。

## 5. 字面值常量类 ##

`constexpr` 函数的参数和返回值必须是字面值类型。除了算术类型、引用和指针外，某些类也是字面值类型。和其他类不同，字面值类型的类可能含有 `constexpr` 函数成员。这样的成员必须符合 `constexpr` 函数的所有要求，它们是隐式 `const` 的。

数据成员都是字面值类型的聚合类是字面值常量类。如果一个类不是聚合类，但它符合下述要求，则它也是一个字面值常量类：

*  数据成员都必须是字面值类型。
 *  类必须至少含有一个 `constexpr` 构造函数。
 *  如果一个数据成员含有类内初始值，则内置类型成员的初始值必须是一条常量表达式；或者如果成员属于某种类类型，则初始值必须使用成员自己的 `constexpr` 构造函数。
 *  类必须使用析构函数的默认定义，该成员负责销毁类的对象。

### 5.1 constexpr 构造函数 ###

**尽管构造函数不能是 `const` 的，但是字面值常量类的构造函数可以是 `constexpr` 函数。事实上，一个字面值常量类必须至少提供一个 `constexpr` 构造函数。**

`constexpr` 构造函数可以声明 `= default` 的形式 (或者是删除函数的形式)。否则， `constexpr` 构造函数就必须既符合构造函数的要求 (意味着不能包含返回语句)，又符合`constexpr` 函数的要求 (意味着它能拥有的唯一可执行语句就是返回语句。综合这两点可知，`constexpr` 构造函数体一般来说应该是空的。我们通过前置关键字 `constexpr` 就可以声明一个 `constexpr` 构造函数了。

class Debug {
    public:
    	constexpr Debug(bool b = true) : hw(b), io(b), other(b) { }
    	constexpr Debug(bool h, bool i, bool o) :
    		hw(h), io(i), other(o) { }
    	constexpr bool any() { return hw || io || other; }
    	constexpr bool hardware() { return hw || io; }
    	constexpr bool app() { return other; }
    
    	void set_io(bool b) { io = b; }
    	void set_hw(bool b) { hw = b; }
    	void set_other(bool b) { hw = b; }
    private:
    	bool hw;    // hardware errors other than IO errors - 硬件错误，而非 IO 错误
    	bool io;    // IO errors
    	bool other; // other errors
    };

`constexpr` 构造函数必须初始化所有数据成员，初始值或者使用 `constexpr` 构造函数， 或者是一条常量表达式。

`constexpr` 构造函数用于生成 `constexpr` 对象以及 `constexpr` 函数的参数或返回类型：

constexpr Debug io_sub(false, true, false);  // 调试 IO
    if (io_sub.any())  // 等价于 if (true)
    {
    	std::cerr << "print appropriate error messages." << std::endl;
    }
    
    constexpr Debug prod(false);  // 无调试
    if (prod.any())  // 等价于 if (false)
    {
    	std::cerr << "print an error message." << std::endl;
    }

## References ##

(美) Stanley B. Lippman, (美) Josée Lajoie, (美) Barbara E. Moo 著, 王刚, 杨巨峰 译. C++ Primer 中文版\[M\]. 第 5 版. 电子工业出版社, 2013.  
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