constexpr用法

constexpr是C++11引入的关键字，用于在编译期确定变量、函数或对象的值，从而实现编译期常量计算。随着C++标准的发展，constexpr的用法和功能也不断增强。

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1. C++11: constexpr的初步引入

1.1 constexpr变量

用constexpr修饰的变量必须在定义时初始化，且初始化值必须是编译期常量。

constexpr int max_size = 100;

max_size可以用在数组大小、模板参数等需要常量表达式的场景。

1.2 constexpr函数

constexpr函数表示该函数可以在编译期求值，也可以在运行时调用。函数体必须满足编译期求值条件，限制较多（只能有单一return语句等）。

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

constexpr int val = square(5);  // 编译期计算，val = 25

1.3 constexpr构造函数和对象

• 支持constexpr构造函数，可以在编译期创建常量对象。
• 类型必须满足字面类型（Literal Type）。

struct Point {
    int x, y;
    constexpr Point(int a, int b) : x(a), y(b) {}
};

constexpr Point p(1, 2);

1.4 constexpr成员函数（限制较多）

C++11支持constexpr成员函数，但函数体限制较多。C++14以后允许更复杂的函数体。

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2. C++14: constexpr功能增强

2.1 更灵活的constexpr函数

• 允许函数体内使用局部变量、循环、条件语句等复杂逻辑。

constexpr int factorial(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i)
        result *= i;
    return result;
}

constexpr int val = factorial(5);  // 120

2.2 constexpr成员函数增强

• 成员函数可以包含更复杂的语句，支持更灵活的编译期计算。

struct Circle {
    double radius;
    constexpr Circle(double r) : radius(r) {}
    constexpr double area() const {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
};

constexpr Circle c(5.0);
constexpr double a = c.area();

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3. C++17: 编译期条件判断与constexpr Lambda

3.1 新增：if constexpr

if constexpr是编译期条件判断语句，条件必须是编译期常量表达式。

编译器只编译满足条件的分支，未满足分支代码被忽略，避免无效代码编译错误。

template<typename T>
void foo(T t) {
    if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
        std::cout << "Integral type: " << t << std::endl;
    } 
    // NOTE: 这里的else不要省略改成if里return，否则编译时不判断
    else {
        std::cout << "Non-integral type" << std::endl;
    }
}

• 避免无效代码编译错误
• 提高模板代码灵活性
• 优化性能，减少冗余代码

3.2 constexpr Lambda

Lambda表达式可以声明为constexpr，支持编译期求值。

constexpr auto square = [](int x) { return x * x; };
constexpr int val = square(5);

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4. C++20: constexpr 生态进一步完善

4.1 新增：consteval

consteval函数必须在编译期求值，不能运行时调用。

consteval int get_five() {
    return 5;
}

int main() {
    constexpr int a = get_five();  // 合法
    int b = get_five();            // 错误，不能运行时调用
}

4.2 新增：constinit

constinit保证变量在程序启动时初始化，但不要求是常量。

constinit int x = 10;

4.3 标准库容器支持constexpr

std::array等容器支持constexpr，允许在编译期初始化和操作。

constexpr std::array<int, 3> arr = {1, 2, 3};
constexpr int sum = arr[0] + arr[1] + arr[2];

4.4 constexpr和if constexpr结合使用，实现更灵活的编译期逻辑

template<typename T>
constexpr T abs_val(T x) {
    if constexpr (std::is_signed_v<T>) {
        return x < 0 ? -x : x;
    } else {
        return x;
    }
}

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5. 总结

标准版本	主要特性及增强
C++11	引入constexpr变量、函数、构造函数，支持简单编译期计算
C++14	放宽constexpr函数限制，支持复杂语句和成员函数
C++17	新增if constexpr编译期条件判断，支持constexpr Lambda
C++20	引入consteval、constinit，标准库容器支持constexpr

• constexpr用于实现编译期常量计算，提升性能和安全性。
• 支持变量、函数、构造函数、成员函数、Lambda等多种形式。
• if constexpr实现编译期条件分支，极大增强模板编程灵活性。
• C++20引入consteval和constinit，进一步丰富编译期和初始化语义。
• 标准库容器逐步支持constexpr，方便编译期复杂数据结构操作。