constexpr和常量表达式

常量表达式

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。显然，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。

const int a = 3;//a是常量表达式
const int b = a+1;//b是常量表达式
int c = 8;//c不是常量表达式，因为c的数据类型是int而不是const int
const int d = get_size();//d不是常量表达式，因为d的值要到运行时才能获取到

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）。

字面值类型的概念由Bjarne Stroustrup提出，644号议题（2008.2）将字面值概念的概念定义如下：
    A type is a literal type if it is:
a scalar type; or
a class type with
·a trivial copy constructor,
·a trivial destructor,
·a trivial default constructor or at least one constexpr constructor other than the copy constructor,
all non-static data members and base classes of literal types; or
an array of literal type.
大意是：
一个字面值类型应具有如下特点
是一个标量类型（如整型、浮点型、物理类型和枚举类型）
或是一个具有如下特征的类：
·一个平凡的拷贝构造函数
·一个平凡的析构函数
·一个默认构造函数或者至少一个constexpr类型的构造函数（除拷贝构造函数外），所有非静态的数据成员以及字面值类型的基类
或者一个字面值类型的数组
上面对于字面值类型的定义还牵涉到平凡类型（trivial type），在另一篇博文会讲到。
从定义可以知道，算术类型（整型、浮点型等）、引用、枚举和指针这些简单数据类型都属于字面值类型，此外满足特定条件的类也属于字面值类型。
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（如全局变量、静态变量等）。

constexpr变量

在一个复杂的系统中，很难（几乎肯定不可能）分辨一个初始值到底是不是常量表达式。尽管我们可以定义一个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。因此，对象的定义和使用根本就是两回事儿。

从C++11开始，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，而且必须用常量表达式初始化。

constexpr int a = 3;//3是常量表达式
constexpr int b = a+1;//b是常量表达式
constexpr int c = get_size();//只有当get_size()是一个constexpr函数时，才是常量表达式，否则语句错误

constexpr指针

需要注意的是，与const关键字不同，一个指针被定义为constexpr，关键字仅对指针有效，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是一个指向整型的常量指针，在这一点上类似于int *const p
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const指针类似，constexpr指针既可以指向常量也可以指向一个非常量。

int i = 3;
constexpr int *p = &i;

constexpr函数

constexpr函数（constexpr expression）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（根据2008.6的647号议题）。

1.函数体被声明为constexpr
2.非虚函数
3.返回类型及所有形参的类型都必须是字面值类型

4.函数中有且只有一条return语句（在C++14标准中这条规定被删除）

constexpr int new_sz () {return 24;}
constexpr int foo = new_sz();

C++11中关于constexpr函数的定义参考链接：cppreference
在C++14中极大放宽了对constexpr函数的定义限制
执行对constexpr函数的初始化时，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展开，constexpr函数被隐式地指定为内联函数。
特别的，constexpr函数允许返回值并非一个常量：
constexpr size_t scale (size_t cnt) {return new_sz()*cnt}//如果arg是常量表达式，则scale(arg)也是常量表达式
int arr[scale(2)];//正确，scale(2)是常量表达式
constexpr函数不一定返回常量表达式，返回值可以为空（return ;）。

和其它函数不一样，内联函数和constexpr函数可以在程序中多次定义。毕竟，编译器要想展开函数仅有函数声明时不够的，还需要函数的定义。不过，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。

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构造函数可以声明成=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，因此对函数成员的初始化必须放在初始化列表中。

constexpr构造函数必须初始化所有数据成员，constexpr构造函数保证了传递给它的所有参数都是constexpr类型的，产生的对象的所有成员也都是constexpr。

本文部分内容摘自《C++ Primer（第5版）》