如何使用constexpr

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constexpr的使用

[constexpr和const的区别](https://github.com/thu-coai/THUOOP/issues/56)为大家介绍了什么是`constexpr`。简而言之，`constexpr`告知编译器这是一个编译期常量表达式（const expression），可以在编译时计算变量或函数的值，从而可以在只允许编译期常量表达式的地方使用。这里我们继续拓展下去，来简单介绍如何在C++11下使用constexpr。

使用constexpr修饰的限制

使用constexpr修饰变量或函数有一定的条件，因为这样才能保证可以在编译期计算出来。不过应当注意，这些限制其实在随着C++标准不断变化，以下只是C++11下的约定。

一个constexpr变量必须满足以下条件：

• 其类型必须是字面类型（Literal Type）。字面类型包括数值、引用、满足特定条件的自定义类，以及由字面类型组成的数组。严格的定义参见参考资料。不太严谨地说，字面类型就是能够在编译器计算得到，从而可以被称之为constexpr的类型（但是这样就会循环定义了）。

• 必须立即初始化。

• 其初始化的完整表达式，包括所有隐式转换、构造函数调用等，必须是一个常量表达式。

一个constexpr函数（包括类的构造函数、成员函数在内的所有函数）必须满足以下条件：

• 不是虚函数。

• 若有返回值或参数，则必须是字面类型。

• 函数体要么是default或delete，要么只能包含以下内容：

  • 空语句（即单个分号;）；
  • static_assert（静态断言，可以看作是编译期版本的assert）；
  • 不定义类或枚举的类型的typedef（反例：typedef struct {} A;）；
  • 声明类的别名的using（using declarations）；
  • 使用某个命名空间的using（using directives）；
  • 只能调用其它constexpr函数；
  • 只能使用全局constexpr变量；
  • 最多只有一条return语句。

• 对于构造函数，还有额外的要求：要么是delete，要么用于初始化每个非静态数据成员以及基类的函数都必须是constexpr。

可见constexpr的要求还是比较严格的。

什么时候使用constexpr

显然，constexpr使我们可以在编译期进行一些工作，这和C中的宏具有类似的功能。例如在编译期获得比较大小的值：

template<typename T>
constexpr T max(T a, T b)
{
    return a < b ? b : a;
}

或者我们可以换算角度和弧度：

constexpr double PI = 3.1415926;
constexpr double deg_to_rad(double deg)
{
    return deg * PI / 180.0;
}

甚至我们可以在编译期递归计算阶乘（三目运算符是可以出现在函数体中的）：

constexpr int factorial(int n)
{
	return n > 0 ? n * factorial(n - 1) : 1;
}

但是我们到底为什么要用constexpr呢？在编译期得到结果固然重要，但constexpr还表明了一种设计意图：我们在写这段代码时认为这个变量或函数应该在编译期得到。这个声明不仅是告知编译器，更是要告知接触到这段代码的人。作为使用者，假设说我们用上面阶乘函数的结果去初始化一个数组，如int arr[factorial(0)];。如果没有constexpr，显然不能用来初始化数组；如果有constexpr，那么你才能放心地初始化数组。作为维护者，constexpr标记表明了它预设的使用场景，因此你也应该选择合适的方法予以实现和优化。所以说constexpr是对这一段代码究竟应在何时使用的保证。

参考资料

1. [c++ - When should you use constexpr capability in C++11? - Stack Overflow](https://stackoverflow.com/questions/4748083/when-should-you-use-constexpr-capability-in-c11)
2. [C++ named requirements: LiteralType - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/named_req/LiteralType)
3. [constexpr specifier (since C++11) - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/constexpr)