一. const 和constexpr的区别

(一)修饰变量时,const为“运行期常量”,即运行期数据是只读的。而constexpr为“编译期”常量,这是const无法保证的。两者都是对象和函数接口的组成部分。

(二)修饰函数时,与const关键字相比,constexpr关键字不仅可以修饰变量和指针,还可以修饰函数(含构造函数)。注意constexpr用于定义自定义类的对象时,要求该类具有常量构造函数,而使用const定义类对象时,则无此要求。

(三)两者在修饰指针时,行为有所差异。const放在*号前,表示指针指向的内容不能被修改.const放在*号后,表示指针不能被修改;而constexpr关键字只能放在*号前面,并且表示指针所指的内容不能被修改

二、常量表达式函数

(一)构成constexpr函数的条件

  1. 函数体只有单一的return语句(可以通过“:”或递归来扩展)。在C++14中这条己经不再是限制。

  2. 函数体必须有返回值(C++11中要求不能是void函数,但C++14己不再限制)

  3、constexpr函数内部不能调用非常量表达式的函数,会造成编译失败。

  4. return返回语句表达式中不能使用非常量表达式的函数、全局数据,且必须是一个常量表达式。

(二)注意事项

  1. 在使用常量表达式函数前,必须先被定义。不能先声明,然后在函数调用后再定义。

  2. constexpr函数在调用时若传入的实参均为编译期己知的,则返回编译期常量。只要任何一个实参在编译期未知,则它的运作与普通函数无异,将产生运行期结果

  3. constexpr函数的构成条件不满足时,就会变成一个普通的函数。同时constexpr函数可以同时应用于编译期语境或运行期语境(编译期语境如constexpr int a = func_constexpr(x, y)。运行期语境如int a = func_constexpr(x, y))。

【编程实验】const和constexpr的差异

  1. #include <iostream>
  2. #include <array>
  3.  
  4. using namespace std;
  5.  
  6. int g_count = ;
  7.  
  8. int normalfunc(int x)
  9. {
  10. return x;
  11. }
  12.  
  13. //constexpr函数(即可当编译期常量表达式函数,也可以当作普通函数使用)
  14. constexpr int func1(int x)
  15. {
  16. return x + ;
  17. }
  18.  
  19. constexpr void func2(){} //普通函数,constexpr必须有非void的返回值类型
  20. constexpr int func3(); //注意这里只声明,定义在main()函数之后
  21. //constexpr int func4() //编译失败
  22. //{
  23. // int x = normalfunc(2); //调用了非constexpr函数!
  24. // return x;
  25. //}
  26.  
  27. //幂函数:用于计算base的exp次幂
  28. constexpr int pow(int base, int exp)
  29. {
  30. //版本1:递归(一条语句)----> C++11要求有且只有一条语句(即return语句)。
  31. //return (exp == 0) ? 1 : base * pow(base, exp - 1);
  32.  
  33. //版本2:非递归(多条语句) --->C++14以上
  34. auto ret = ;
  35. for (int i = ; i < exp; ++i) {
  36. ret *= base;
  37. }
  38.  
  39. return ret;
  40. }
  41.  
  42. int main()
  43. {
  44. //1.1 修饰变量时
  45. int x = ; //非constexpr变量
  46. const int y = ;
  47. constexpr int a = ; //a为编译期常量
  48. constexpr int b = a + ; //b为编译期常量
  49. constexpr int c = y + ; //c为编译期常量,y直接取自符号表,而不是来自内存值。
  50.  
  51. //constexpr auto m = x; //error,因为x不是常量
  52. const auto n = x; //ok, d为x的副本
  53.  
  54. constexpr auto N = ;
  55. //std::array<int, n> arr1; //error, n不是编译期常量
  56. std::array<int, N> arr2; //ok, N为编译期常量
  57. std::array<int, c> arr3; //ok, c为编译期常量
  58.  
  59. constexpr auto exp = ;
  60. std::array<int, pow(, exp)> arr4; //ok! pow是constexpr函数
  61. //std::array<int, pow(3, x)> arr5; //error! x为运行期变量,从而导致pow返回值为运行期的值
  62.  
  63. //1.2 constexpr修饰指针时,表示指针本身不可修改!!!(constexpr只能放在*的左侧)
  64. constexpr int* ptr2 = &g_count; //ok,全局变量,编译期地址可确定
  65. //ptr2 = nullptr; //注意,与const不同,这里表示ptr2是常量。
  66. *ptr2 = ;
  67.  
  68. //constexpr int* ptr1 = &x; //error,因为x在栈上分配,在编译期不能确定其地址。
  69.  
  70. //1.3 修饰函数时
  71. int var1 = func3(); //ok! func3先声明,使用后定义。
  72. //constexpr int var2 = func3(); //error,在调用函数前,func3必须定义好了(不能只看到声明)。
  73.  
  74. constexpr int c1 = func1(N); //constexpr语境: 返回值赋值constexpr变量,是constexpr函数(实参也为constexpr)。
  75. int c2 = func1(x); //非constexpr语境:func1用于返回值赋值给普通变量时,当作普通函数使用!
  76. int c3 = func1(N); //非constexpr语境:func1用于返回值赋值给普通变量时,当作普通函数使用!
  77.  
  78. return ;
  79. }
  80.  
  81. constexpr int func3() //声明放在main之前,这里是定义!
  82. {
  83. return ;
  84. }

三、constexpr的应用

(一)定义自定义类的constexpr对象。

  1. 自定义类的构造函数须为constexpr函数

  2. constexpr不能用于修饰virtual函数。因为virtual是运行时的行为,与constexpr的意义冲突。

  3. C++11中被声明为constexpr成员函数会自动设为const函数,但C++14中不再自动设为const函数。

(二)函数模板: 实例化后的函数是否为constexpr函数,在编译期是不确定的,取决于传入的实参是否为constexpr类型

(三)constexpr类型的函数递归

  1. 利用constexpr进行编译期运算的编程方式称为constexpr元编程

  2 .基于模板编译期运算的编程方式,叫模板元编程。

【编程实验】constexpr的应用

  1. #include <iostream>
  2. using namespace std;
  3.  
  4. //1. constexpr构造函数和成员函数
  5. class Point
  6. {
  7. double x, y;
  8. public:
  9. //常量表达式构造函数
  10. constexpr Point(double x=, double y=) noexcept : x(x),y(y){}
  11.  
  12. //成员函数(注意:constexpr不允许用于修饰virtual函数)
  13. constexpr double getX() const noexcept { return x;} //constexpr函数,在C++11中默认为const函数。但C++14中取消了,这里加const
  14. constexpr double getY() const noexcept { return y;}
  15.  
  16. //以下两个函数在C++11中无法声明为constexpr(C++14可以!),原因如下:
  17. //1.C++11中被声明为constexpr成员函数会自动设为const函数,而这两个函数需要更改成员变量的值,这与const成员函数
  18. //却不允许需改成员的值,会产生编译错误。C++14中constexpr函数不再默认为const函数,因此可以修改成员变量。
  19. //2. C++11中constexpr函数不能返回void型,但C++14中不再限制。
  20. constexpr void setX(double newX) noexcept { x = newX; } //C++11中须去掉constexpr;
  21. constexpr void setY(double newY) noexcept { y = newY; }
  22. };
  23.  
  24. //计算中点坐标
  25. constexpr Point midpoint(const Point& p1, const Point& p2) noexcept
  26. {
  27. //p1和p2均为const对象,会调用const版本的getX()和getY()
  28. return { (p1.getX() + p2.getX()) / , (p1.getY() + p2.getY()) / };
  29. }
  30.  
  31. //返回p相对于原点的中心对称点(C++14)
  32. constexpr Point reflection(const Point& p) noexcept
  33. {
  34. Point ret;
  35. ret.setX(-p.getX());
  36. ret.setY(-p.getY());
  37. return ret;
  38. }
  39.  
  40. //2. 函数模板:(constexpr元编程)
  41. //函数是否为constexpr函数,编译期未知。取决于传入的实参t是否为constexpr变量/对象
  42. template<typename T>
  43. constexpr T func(T t)
  44. {
  45. return t;
  46. }
  47.  
  48. struct NotLiteral
  49. {
  50. int i;
  51. NotLiteral():i(){} //注意:构造函数不是constexpr类型!
  52. };
  53.  
  54. //3.constexpr类型的递归函数
  55. //3.1 求斐波那契数
  56. constexpr int Fib(int n)
  57. {
  58. return (n == ) ? : ((n == ) ? : Fib(n-) + Fib(n -));
  59. }
  60.  
  61. //3.2 模板递归(模板元编程)
  62. template<long N>
  63. struct Fibonacci
  64. {
  65. static const long val = Fibonacci<N - >::val + Fibonacci<N - >::val;
  66. };
  67.  
  68. //特化
  69. template<> struct Fibonacci<> { static const long val = ; };
  70. template<> struct Fibonacci<> { static const long val = ; };
  71. template<> struct Fibonacci<> { static const long val = ; };
  72.  
  73. void printArray(int a[], int len)
  74. {
  75. cout << "Fibonacci: ";
  76. for (int i=; i<len; ++i)
  77. {
  78. cout << a[i] << " ";
  79. }
  80. cout << endl;
  81. }
  82.  
  83. int main()
  84. {
  85. //1. 用constexpr定义自定义类的对象(要求该类具有constexpr构造函数)
  86. constexpr Point p1(9.4, 27.7); //ok, p1为编译期常量
  87. constexpr Point p2{ 28.8, 5.3 }; //ok,同上
  88. //1.1求中点
  89. constexpr auto mid = midpoint(p1, p2); //mid为编译期常量,mid.getX()也是编译期常量!!!
  90. //1.2求关于原点的对称点
  91. constexpr auto reflectedMid = reflection(mid);
  92.  
  93. //2. constexpr型的函数模板
  94. NotLiteral n1; //非constexpr对象
  95. NotLiteral n2 = func(n1); //传入实参为非constexpr对象,func成为普通函数!
  96. //constexpr NotLiteral n3 = func(n1); //error,由于NotLiteral的构造函数不是constexpr类型,
  97. //不能用constexpr定义该类型的constexpr的对象!!!
  98. constexpr int a = func(); //ok,1为constexpr对象
  99.  
  100. //3. constexpr类型递归函数
  101. int fib1[]{ Fib(), Fib(), Fib(), Fib() };
  102. printArray(fib1, );
  103.  
  104. int fib2[] = { Fibonacci<>::val, Fibonacci<>::val, Fibonacci<>::val, Fibonacci<>::val };
  105. printArray(fib1, );
  106.  
  107. return ;
  108. }
  109. /*输出结果
  110. Fibonacci: 89 144 233 377
  111. Fibonacci: 89 144 233 377
  112. */

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