constexpr

constexprC++11引入的关键字,用于编译时的常量与常量函数。

声明为constexpr函数的意义是:如果其参数均为合适的编译期常量,则对这个constexpr函数的调用就可用于期望常量表达式的场合(如模板的非类型参数,或枚举(enum)常量的值)。如果参数的值在运行期才能确定,或者虽然参数的值是编译期常量,但不匹配这个函数的要求,则对这个函数调用的求值只能在运行期进行。

简介编辑

C++编译时可确定常量表达式的结果,因此可在编译时优化。C++规范在一些地方要求使用常量表达式,如声明数组的维数。但常量表达式不允许包含函数调用或者对象构造。因此下述代码无效:

int get_five() {return 5;}

int some_value[get_five() + 7]; // 创建包含12个整数的数组. C++03中非法,因为get_five() + 7不是常量表达式

C++11引入了关键字constexpr,允许编程者保证函数或对象的构造函数是编译时常量。[1]上述代码可以改写为:

constexpr int get_five() {return 5;}

int some_value[get_five() + 7]; // Create an array of 12 integers. Valid C++11

constexpr函数必须满足下述限制:

  • 函数返回值不能是void类型
  • 函数体不能声明变量或定义新的类型
  • 函数体只能包含声明、null语句或者一段return语句
  • 在形参实参结合后,return语句中的表达式为常量表达式

C++11去掉了const variable必须是整型(Integral Type)或者枚举型别的限制,只要是用于关键字constexpr定义即可:

constexpr double earth_gravitational_acceleration = 9.8;
constexpr double moon_gravitational_acceleration = earth_gravitational_acceleration / 6.0;

这些variable必须用常量表达式初始化。

为构造用户定义类型的常量表达式,构造函数必须用constexpr声明,函数体仅包含声明或null语句,不能声明变量或定义类型。因此,构造函数的实参值应该是常量表达式,直接初始化类的数据成员。析构函数是平凡的。类型的拷贝构造函数应该也定义为constexpr,以允许constexpr函数返回一个该类型的对象。类型的成员函数都应该是constexpr

constexpr函数或构造函数的实参值如果不是常量表达式,那么调用行为与结果就不是常量表达式。

C++14放松了这些限制。声明为constexpr的函数可以含有以下内容:[2]

  • 任何声明,除了:
    • staticthread_local变量。
    • 没有初始化的变量声明。
  • 条件分支语句ifswitch
  • 所有的循环语句,包括基于范围的for循环。
  • 表达式可以改变一个对象的值,只需该对象的生命期在声明为constexpr的函数内部开始。包括对有constexpr声明的任何非const非静态成员函数的调用。

goto仍然不允许在constexpr函数中出现。

constexpr支持编译期的递归。例如,可以写一个constexpr函数计算斐波那契数列。

此外,C++11指出,所有被声明为constexpr的非静态成员函数也隐含声明为const(即函数不能修改*this的值)。C++14已经删除此点,非静态成员函数可以为非const[3]

示例代码编辑

// C++98/03
template <int N>
struct Factorial_Cpp03
{
    const static int value = N * Factorial_Cpp03<N - 1>::value;
};
template <>
struct Factorial_Cpp03<0>
{
    const static int value = 1;
};

// C++11
constexpr int factorial_Cpp11(int n)
{
    return n == 0 ? 1 : n * factorial_Cpp11(n - 1);
}

// C++14
constexpr int factorial_Cpp14(int n)
{
    int result = 1;
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
        result *= i;
    return result;
}

int main()
{
    static_assert(Factorial_Cpp03<3>::value == 6, "error");
    static_assert(factorial_Cpp11(3) == 6, "error");
    static_assert(factorial_Cpp14(3) == 6, "error");
    return 0;
}

参考文献编辑

  1. ^ Gabriel Dos Reis; Bjarne Stroustrup. General Constant Expressions for System Programming Languages, Proceedings SAC ’10 (PDF). 22 March 2010 [2018-03-29]. (原始内容 (PDF)存档于2018-06-13). 
  2. ^ Wong, Michael. The View form the C++ Standard meeting April 2013 Part 1. C/C++ Cafe. [14 June 2013]. (原始内容存档于2013-10-13). 
  3. ^ N3652 Relaxing constraints on constexpr functions. [2018-03-29]. (原始内容存档于2013-08-25).