C++11新特性之十七：constexpr

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分类专栏： # C++11新特性文章标签： C++11 C++ constexpr

于 2016-10-26 10:57:53 首次发布

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本文详细介绍了C++11中的constexpr关键字，包括其基本概念、如何定义constexpr变量及函数，以及constexpr在模板编程中的应用等。同时展示了constexpr在提高程序效率方面的优势。

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constexpr是在 C++11 被引进的关键字，它的字面意思是 constant expression，常量表达式。它可以作用在变量和函数上。一个 constexpr 变量是一个编译时完全确定的常数。一个 constexpr 函数至少对于某一组实参可以在编译期间产生一个编译期常数。在C++11之后的标准中赋予了constexpr更多的特性，比如C++14 允许在 constexpr 函数中使用局部变量，从而支持了循环；在 C++17 的时候多了 if constexpr 这样的语法，使得模板编程的可读性更好......。本文仅讨论C++11中的constexpr
我们可以通过将变量声明为 constexpr 来要求它在编译期被初始化：

void f(int x)
{
    int y1 = x;
    constexpr int y2 = x;   // Error
    constexpr int y3 = 77;  // OK
    
    int m = 1;
    const int n = 2;
    constexpr int y4 = m;   // Error
    constexpr int y5 = n;   // OK
}

用constexpr修饰的函数，返回值不一定是编译期常量，这是特性，不是bug。

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;

constexpr int foo(int i)
{
    return i + 5;
}

int main()
{
    int i = 10;
    std::array<int, foo(5)> arr; // OK
    
    foo(i); // Call is Ok
    
    // But...
    std::array<int, foo(i)> arr1; // Error
}

constexpr修饰的函数，简单的来说，如果其传入的参数可以在编译时期计算出来，那么这个函数就会产生编译时期的值。但是，传入的参数如果不能在编译时期计算出来，那么constexpr修饰的函数就和普通函数一样了。不过，我们不必因此而写两个版本，所以如果函数体适用于constexpr函数的条件，可以尽量加上constexpr。而检测constexpr函数是否产生编译时期值的方法很简单，就是利用std::array需要编译期常值才能编译通过的小技巧。这样的话，即可检测你所写的函数是否真的产生编译期常值了。
用constexpr修饰的函数还可以当做模板参数。

template<int N> class C{};
constexpr int FivePlus(int x) {
  return 5 + x;
}

void f(const int x) {
  C<x> c1;   // Error
  C<FivePlus(6)> c2;  // OK
}

比如你想特化一个模板，在传入的模板参数是std::numeric_limits<int>::max()时报错。那么在没有constexpr之前，就没救了，只能用INT_MAX宏......。当然现在Max已被constexpr修饰，是可以正常当模板参数传入的，原理和FivePlus函数一样。
当然引进constexpr最主要的原因是效率，因为编译器知道这是一个常量，所以可以优化代码，比如整个function全部优化掉，从而提高运行速度。

#include <iostream>
#include <chrono>

using namespace std::chrono;

constexpr int Calculate1 (int x, int y)
{
    return x * x + y * y;
}
int Calculate2 (int x, int y)
{
    return x * x + y * y;
}

int main()
{
    auto start1 = high_resolution_clock::now();
    for(int i = 0;i < 1000000; i++)
    {
        // 是常量表达式
         Calculate1 (11, 12);
    }
    auto end1 =  high_resolution_clock::now();
    std::cout <<"cost time: " << duration_cast<microseconds>(end1 - start1).count()<<" us" << std::endl;

    auto start2 = high_resolution_clock::now();
    for(int i = 0;i < 1000000; i++)
    {
        // 不是常量表达式, 返回值不能用constexpr修饰
        Calculate2 (11, 12);
    }
    auto end2 =  high_resolution_clock::now();
    std::cout <<"cost time: " << duration_cast<microseconds>(end2 - start2).count() << " us" << std::endl;
    return 0;
}

可以看到循环100万次，函数Caculate1耗时更少，如果用变量接收函数返回值，对比更明显。

constexpr int ret = Calculate1 (11, 12);
int ret = Calculate2 (11, 12);

原文链接：C++11新特性之十七：constexpr-优快云博客