constexpt

constexpt

constexpt是C++11引入的新的关键字，它用于在编译时而非运行时计算函数或变量的值。这个特性对于提高程序效率和优化代非常有用。

编译时常量和运行时常量

编译时常量（Compile-time Constants）和运行时常量（Runtime Constants）是指常量在程序执行过程中被确定的时间点不同。

• 编译时常量

编译时常量是指其值在程序编译阶段就已经确定并嵌入到代码中的常量。

它们通常是直接赋值的，或者通过在编译时可解析的表达式计算得到。

特点：

• 由于它们的值在编译时就已确定，因此运行时无需再计算，这可以提升程序运行效率。

• 编译时常量通常直接存储在程序的只读数据段，减少了运行时内存的使用。

使用场景：

• 定义数组大小、初始化类的静态成员、以及在程序中使用的任何固定值。
• 在模板元编程中广泛使用，用于在编译时进行复杂的计算。

实现方式：

• 在 C++ 中，使用 constexpr 关键字来定义编译时常量。

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• 运行时常量

定义：

• 运行时常量是指其值在程序运行时才确定的常量。
• 它们的值可能依赖于运行时的输入或其他只有在程序执行时才可知的数据。

特点：

• 灵活性：提供了根据运行时情况动态确定值的能力。
• 性能开销：由于需要在程序运行时计算，可能会引入额外的性能开销。

使用场景：

• 当常量值依赖于用户输入、文件读取、或其他运行时环境因素时。
• 在需要根据不同的运行时条件选择不同常量值的情况下使用。

实现方式：

• 通常通过 const 关键字定义，但其值赋予操作发生在程序运行时。

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• 对比

确定时间：

• 编译时常量：在编译阶段确定。
• 运行时常量：在运行阶段确定。

优化：

• 编译时常量：有助于性能优化，因为消除了运行时计算的需要。
• 运行时常量：提供灵活性，但可能增加性能开销。

使用关键字：

• 编译时常量：C++ 中使用 constexpr。
• 运行时常量：常用 const，但赋值发生在运行时。

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特点

编译时计算

constexpr 用于创建在编译时就能被计算的表达式。这包括变量、函数和对象构造函数。

当 constexpr 用于变量时，它表明该变量的值是一个编译时常量。这意味着变量的值必须在编译时就已知，并且在程序的整个生命周期中保持不变。

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

当 constexpr 用于函数时，它表示该函数在其所有参数都是常量表达式时，可以在编译时执行。这意味着函数的返回值也必须是编译时常量。

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

constexpr int fact_5 = factorial(5); // 编译时计算 5 的阶乘

这里，factorial 函数被定义为 constexpr，这意味着它可以在编译时计算阶乘。因此，fact_5 的值（120）将在编译时被计算并嵌入到编译后的代码中。

在 C++11 之后，constexpr 还可以用于对象的构造函数。这允许在编译时创建和初始化对象。

class Point {
public:
    constexpr Point(double xVal, double yVal) : x(xVal), y(yVal) {}

    constexpr double getX() const { return x; }
    constexpr double getY() const { return y; }

private:
    double x, y;
};

constexpr Point origin(0.0, 0.0); // 编译时创建 Point 对象

在这个例子中，Point 类的构造函数被标记为 constexpr，这使得我们可以在编译时创建和初始化 Point 对象。

注意：constexpr 函数或构造函数在编译时计算时必须满足一些条件，比如不能有未定义的行为、不能有非常量表达式的分支等。如果 constexpr 表达式在编译时不能求值，它将导致编译错误。

函数限制

C++11 中的 constexpr 函数限制

在 C++11 中，constexpr 函数的使用受到相对严格的限制：

1. 单一返回语句：函数体内只能包含一个 return 语句。
2. 无循环和分支结构：不允许使用循环（如 for、while）和复杂的分支结构（如 if-else）。
3. 简单的逻辑：函数通常只能执行简单的计算，如基本的算术运算。、

如：

constexpr int add(int a, int b) {
    return a + b; // 只有一个 return 语句
}

C++14 中的 constexpr 函数限制放宽

C++14 放宽了这些限制，使 constexpr 函数变得更加强大和灵活：

1. 多个返回语句：允许函数体内有多个 return 语句。
2. 支持循环和分支：可以使用循环和条件判断等复杂结构。
3. 更复杂的逻辑：函数可以执行更复杂的逻辑和计算。

如：

constexpr int factorial(int n) {
    if (n <= 1) {
        return 1;
    } else {
        return n * factorial(n - 1); // 使用了递归
    }
}

类型限制

constexpr 的类型限制是 C++ 标准中的一个重要部分，确保了在编译时可以安全且可靠地计算 constexpr 表达式。这些类型限制主要关注于字面类型（Literal Type），这是一类特定的类型，适用于编译时的计算。以下是关于字面类型和 constexpr 的详细解释：

字面类型（Literal Type）

字面类型是一类特定的数据类型，它们适用于 constexpr 表达式。字面类型包括：

1. 算术类型：包括所有的整数类型（如 int、long）和浮点类型（如 float、double）。

2. 指针类型：任何类型的指针（包括指向函数的指针）。

3. 引用类型：任何类型的引用。

4. 某些类类型：

   • 类类型必须满足特定条件才能被视为字面类型。这些条件包括但不限于：
     • 所有成员都必须是字面类型。
     • 必须有一个 constexpr 构造函数。
     • 如果有析构函数，它必须是平凡的（trivial）。

这些类型限制确保了 constexpr 表达式在编译时是确定的和安全的。它们可以在编译时完全计算，没有未定义的行为或依赖于运行时才能确定的信息。

constexpr 变量和函数的类型限制

当定义 constexpr 变量或函数时，必须确保它们的类型是字面类型：

• 变量：constexpr 变量必须是字面类型。例如，constexpr int max_size = 100; 中的 int 是字面类型。

• 函数：constexpr 函数的返回类型和所有参数类型必须是字面类型。例如，constexpr int add(int a, int b) { return a + b; } 中的返回类型 int 和参数类型 int 都是字面类型。

类类型的 constexpr 示例

class Point {
public:
    constexpr Point(double xVal, double yVal) : x(xVal), y(yVal) {}

    constexpr double getX() const { return x; }
    constexpr double getY() const { return y; }

private:
    double x, y; // double 是字面类型
};

constexpr Point origin(0.0, 0.0); // Point 类是字面类型

在这个例子中，Point 类是一个字面类型，因为它的所有成员都是字面类型，并且它有一个 constexpr 构造函数。

constexpt与const

const 变量的值可以在编译时或运行时被设定。这意味着它们可以根据运行时的计算或输入来确定其值。

const int max_users = 100; // 编译时常量
const int current_users = getUsersCount(); // 运行时常量

用途和好处

1. 性能提升：
   • 由于在编译时完成计算，constexpr 可以显著减少程序运行时的时间和资源消耗。
2. 内存使用优化：
   • 编译时计算的结果通常存储在程序的只读数据段，降低了运行时的内存需求。
3. 代码可读性和可维护性提高：
   • constexpr 提供了一种明确和直接的方式来表示编译时常量，使得代码意图更清晰。
   • 减少了运行时错误的可能性，因为很多计算在编译时就已确定。
4. 更安全的代码：
   • 编译时计算减少了运行时可能的错误和异常，提高了代码的整体安全性。