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constexpr 说明符(C++11 起)

解释

constexpr 说明符声明可以在编译时求得函数或变量的值。然后这些变量和函数（若给定了合适的函数实参）即可用于仅允许编译时常量表达式之处。用于对象或非静态成员函数 (C++14 前)声明的 constexpr 说明符蕴含 const。用于函数声明的 constexpr 说明符或 static 成员变量 (C++17 起)蕴含 inline。若函数或函数模板的任何声明拥有 constexpr 说明符，则每个声明必须都含有该说明符。

constexpr 变量必须满足下列要求：

  • 它必须拥有常量析构，即：
  • 它既非类类型亦非其（可能多维的）数组，或、
  • 它是类类型或其（可能多维的）数组，该类类型拥有 constexpr 析构函数，而对于仅有的作用为销毁该对象的虚设表达式 e ，假如认为该对象与其非 mutable 子对象（但非其 mutable 子对象）的生存期始于 e 内，则 e 会是核心常量表达式。
(C++20 èµ·)

constexpr 函数必须满足下列要求：

(C++20 前)
 (C++20 èµ·)
 (C++20 前)
  • 函数体必须被弃置或预置，或只含有下列内容：
(C++14 前)
  • 函数体必须不含：
  • goto 语句
  • 拥有除 case å’Œ default 之外的标号的语句
(C++20 前)
  • 非字面类型的变量定义
  • 静态或线程存储期变量的定义
（=default; 或 =delete; 的函数体不含任何上述内容。）
(C++14 èµ·)

函数体非 =delete; 的 constexpr 构造函数必须满足下列额外要求：

  • 对于 class 或 struct 的构造函数，每个子对象和每个非变体非 static 数据成员必须被初始化。若类是联合体式的类，对于其每个非空匿名联合体成员，必须恰好有一个变体成员被初始化
  • 对于非空 union 的构造函数，恰好有一个非静态数据成员被初始化
(C++20 前)
  • 每个被选用于初始化非静态成员和基类的构造函数必须是 constexpr 构造函数。

析构函数不能为 constexpr ，但能在常量表达式中调用平凡析构函数。

(C++20 前)

函数体非 =delete; 的 constexpr 析构函数必须满足下列额外要求：

  • 每个用于销毁非静态数据成员与基类的析构函数必须为 constexpr 析构函数。
(C++20 èµ·)

对于 constexpr 函数模板和类模板的 constexpr 函数成员，必须至少有一个特化满足上述要求。其他特化仍被认为是 constexpr，尽管常量表达式中不能出现这种函数的调用。

注解

因为 noexcept 运算符始终对常量表达式返回 true，故它可用于检查具体特定的 constexpr 函数调用是否采用常量表达式分支： 

constexpr int f(); 
constexpr bool b1 = noexcept(f()); // false，constexpr 函数未定义
constexpr int f() { return 0; }
constexpr bool b2 = noexcept(f()); // true，f() 是常量表达式
 (C++17 前)

constexpr 构造函数允许用于非字面类型的类。例如，std::unique_ptr 的默认构造函数是 constexpr，允许常量初始化。

引用变量可声明为 constexpr（其初始化器必须是引用常量表达式）： 

static constexpr int const& x = 42; // 到 const int 对象的 constexpr 引用
                                    // （该对象拥有静态存储期，因为 static 引用续命）

尽管在 constexpr 函数中允许 try 块与内联汇编，常量表达式中仍然不允许抛异常或执行汇编。

若 constexpr 变量拥有常量析构，则无需为调用其析构函数而生成机器码。

(C++20 èµ·)

关键词

constexpr

示例

计算阶乘的 C++11 constexpr 函数的定义，及扩展字符串字面量的字面类型：

运行此代码
#include <iostream>
#include <stdexcept>
 
// C++11 constexpr 函数使用递归而非迭代
// （C++14 constexpr 函数可使用局部变量和循环）
constexpr int factorial(int n)
{
    return n <= 1? 1 : (n * factorial(n - 1));
}
 
// 字面类
class conststr {
    const char* p;
    std::size_t sz;
public:
    template<std::size_t N>
    constexpr conststr(const char(&a)[N]): p(a), sz(N - 1) {}
 
    // constexpr 函数通过抛异常来提示错误
    // C++11 中，它们必须用条件运算符 ?: 这么做
    constexpr char operator[](std::size_t n) const
    {
        return n < sz ? p[n] : throw std::out_of_range("");
    }
    constexpr std::size_t size() const { return sz; }
};
 
// C++11 constexpr 函数必须把一切放在单条 return 语句中
// （C++14 无此要求）
constexpr std::size_t countlower(conststr s, std::size_t n = 0,
                                             std::size_t c = 0)
{
    return n == s.size() ? c :
           'a' <= s[n] && s[n] <= 'z' ? countlower(s, n + 1, c + 1) :
                                        countlower(s, n + 1, c);
}
 
// 输出要求编译时常量的函数，用于测试
template<int n>
struct constN
{
    constN() { std::cout << n << '\n'; }
};
 
int main()
{
    std::cout << "4! = " ;
    constN<factorial(4)> out1; // 在编译时计算
 
    volatile int k = 8; // 不允许使用 volatile 者优化
    std::cout << k << "! = " << factorial(k) << '\n'; // 运行时计算
 
    std::cout << "the number of lowercase letters in \"Hello, world!\" is ";
    constN<countlower("Hello, world!")> out2; // 隐式转换到 conststr
}

输出： 

4! = 24
8! = 40320
the number of lowercase letters in "Hello, world!" is 9

缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

DR 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 1911 C++14 不允许对于非字面类型的 constexpr 构造函数 在常量初始化中允许
CWG 2004 C++14 在常量表达式中允许复制/移动有 mutable 成员的联合体 去除 mutable 变体隐式复制/移动的资格
CWG 2163 C++14 尽管 goto 在 constexpr 函数中被禁止，标号却得到允许 标号也被禁止
CWG 2268 C++14 cwg 2004 曾禁止了复制/移动有 mutable 成员的联合体 若该对象在常量表达式中创建，则允许

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