什么是 C++ 中的常量表达式？有什么用途？如何判断一个表达式是否是常量表达式？

1）什么是 C++ 中的常量表达式？有什么用途？

在C++中，常量表达式是指在编译期间就能计算出结果的表达式，其结果在程序运行期间保持不变。常量表达式主要由常量和运算符组成，并且在编译时就能确定其值，而不需要等到程序运行时再进行计算。以下是关于常量表达式的详细介绍：

常量表达式的构成

字面常量：如整数常量42、浮点数常量3.14、字符常量'a'、字符串常量"hello"等。
枚举常量：通过enum关键字定义的枚举类型中的枚举值。
constexpr函数的返回值：被声明为`constexpr`的函数，若其参数均为常量表达式，则该函数的返回值也是常量表达式。
sizeof表达式：用于获取数据类型或变量所占字节数的sizeof操作符的结果是常量表达式。
其他常量表达式的组合：通过算术运算符、逻辑运算符、位运算符等连接常量表达式构成的更复杂的表达式。

常量表达式的用途

数组大小定义：在定义数组时，数组的大小必须是一个常量表达式。使用常量表达式来指定数组大小，可以确保数组的大小在编译时就确定下来，有助于提高程序的性能和内存使用效率。

constexpr int size = 10;
int arr[size];

switch语句中的case标签：switch语句中的case标签必须是常量表达式，这确保了在编译时就能确定每个case分支的跳转位置，提高了程序的执行效率和安全性。

constexpr int num = 2;
switch (num) {
case 1:
    // 执行一些操作
    break;
case 2:
    // 执行另一些操作
    break;
default:
    break;
}

模板参数：模板参数必须是常量表达式，这使得模板在编译时就能根据常量表达式的值进行实例化，生成针对特定参数的具体代码，提高了代码的复用性和执行效率。

template <int N>
class Array {
public:
    int data[N];
};

constexpr int size = 5;
Array<size> arr;

constexpr函数的参数和返回值：constexpr函数可以接受常量表达式作为参数，并返回常量表达式。这使得在编译期间就可以进行一些复杂的计算，并将结果作为常量表达式使用，提高了程序的性能和可读性。

constexpr int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

constexpr int result = add(3, 4);

编译时断言：static_assert是C++中的一个编译时断言机制，它接受一个常量表达式作为条件。如果条件为假，编译器会在编译期间产生一个错误，用于在编译时检查程序中的一些假设和约束条件是否满足。

constexpr int version = 2;
static_assert(version >= 1, "版本号过低");

2) 如何判断一个表达式是否是常量表达式？

在C++中，可以通过以下规则和方法来判断一个表达式是否为常量表达式：

基本数据类型的字面常量

-整数常量、浮点数常量、字符常量、字符串常量等都是常量表达式。例如：10、3.14、'a'、"hello"等。

const/constexpr修饰的变量和函数

如果一个变量被声明为constexpr，那么它是常量表达式。例如：constexpr int num = 10;

被声明为constexpr的函数，若其参数均为常量表达式，则该函数的返回值也是常量表达式。例如：

constexpr int add(int a, int b) {
    return a + b;
}
constexpr int result = add(3, 4);

sizeof表达式

sizeof操作符用于获取数据类型或变量所占字节数，其结果是常量表达式。例如：sizeof(int)、sizeof(myArray)等。

枚举常量

通过enum关键字定义的枚举类型中的枚举值是常量表达式。例如：

enum Color { RED, GREEN, BLUE };

用常量表达式初始化的const变量

当一个const变量使用常量表达式进行初始化时，它可以被当作常量表达式使用。例如：const int num = 5 + 3;

特定的运算符和表达式组合

由常量和算术运算符（`+`、`-`、`*`、`/`、`%`等）、逻辑运算符（`&&`、`||`、`!`等）、位运算符（`&`、`|`、`^`、`~`、`<<`、`>>`等）组成的表达式，只要其中参与运算的操作数都是常量表达式，那么整个表达式也是常量表达式。例如：2 + 3 * 4`、`(5 > 3) && (2 < 4)等。

数组的大小指定

在定义数组时，数组的大小必须是常量表达式。例如：int arr[10]; 这里的10是常量表达式，而int n = 5; int arr[n]; 则不是常量表达式（C++11之前不允许，C++11引入了constexpr和consteval后可以在某些条件下使用变量作为数组大小，但本质上也是基于常量表达式的规则）。

模板参数

模板参数必须是常量表达式，因为模板在编译时需要根据常量表达式的值进行实例化。例如：

template <int N>
class Array {
public:
    int data[N];
};

constexpr int size = 5;
Array<size> arr;

静态断言中的条件表达式

static_assert用于在编译时进行断言检查，其条件表达式必须是常量表达式。例如：

constexpr int version = 2;
static_assert(version >= 1, "版本号过低");

初始化列表中的表达式

当使用初始化列表初始化对象时，初始化列表中的表达式如果都是常量表达式，则整个初始化过程是基于常量表达式的。例如：

struct Point {
    int x;
    int y;
};

constexpr Point p = {1, 2};