C++11-20 常量表達式的使用
C++98時代
C++98編譯器對int常量情有獨鐘，因為這是少數(shù)它能直接識別的東西。因為這個有限的能力，編譯器就能夠預先判定數(shù)組的大小了：
TEST_METHOD(TestConstVar)
{
//int n = 3;
const int n = 3;
int a[n] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
const int m = n * 3;
int b[m] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(b));
}
并由此還引入了一個“常量折疊”的概念，即編譯器會自動將所有const int變量的引用全部替換為常量：
TEST_METHOD(TestConstVarFold)
{
const int a = 10;
int b = 2 * a;
int* p = (int*)&a;
*p = 100;
// 沒有常量折疊？
Assert::AreEqual(100, a);
Assert::AreEqual(20, b);
Assert::AreEqual(100, *p);
}
我們不必糾結于這里的a到底是10還是100，這完全取決于編譯器的實現(xiàn)。而實際工作中誰要寫出這樣的代碼，直接拖出去打死了事。
C++11時代
constexpr值
C++98編譯器對常量的那點有限智商實在是令人著急。C++11干脆就引入了一個新的關鍵字constexpr，以便讓編譯器可以做更多的事情。
TEST_METHOD(TestConstExprVar)
{
constexpr int n = 3;
int a[n] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
constexpr int m = n * 3;
int b[m] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(b));
}
constexpr看起來和const沒啥區(qū)別嘛？但實際上，你可以把constexpr理解為真正的編譯期常量，而const實際上是運行期常量，以前之所以能在編譯期起作用完全是不得已的救場客串行為。
constexpr函數(shù)
當然，如果constexpr僅僅有這點作用，那是絕對不會被作為新的關鍵字引入的。更為重要的是，既然編譯期已經知道constexpr就代表編譯期可以運行的東西，那么它為什么不可以修飾函數(shù)？讓只能在運行期調用的函數(shù)可以在編譯期起作用：
static constexpr int size()
{
return 3;
}
static constexpr int sqrt(int n)
{
return n * n;
}
static constexpr int sum(int n)
{
return n > 0 ? n + sum(n - 1) : 0;
}
TEST_METHOD(TestConstExprFunc)
{
int a[size()] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
int b[sqrt(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(b));
int c[sum(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(6), _countof(c));
}
當然，在C++11階段，這種constexpr函數(shù)限制很多：
- 函數(shù)必須返回一個值，不能是void
- 函數(shù)體只能有一條語句return
- 函數(shù)調用前必須被定義
- 函數(shù)必須用constexpr聲明
浮點型常量
盡管有些限制，但是畢竟也是個函數(shù)，所以要實現(xiàn)C++98編譯期頭疼的浮點型常量也變得很簡單了：
static constexpr double pi()
{
return 3.1415926535897;
}
TEST_METHOD(TestConstExprDouble)
{
int a[(int)pi()] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
}
constexpr類
C++的一大特點就是面向對象的，既然constexpr可以修飾函數(shù)了，那為什么不能修飾成員函數(shù)呢？
class N
{
private:
int m_n;
public:
constexpr N(int n = 0)
:m_n(n)
{
}
constexpr int getN() const
{
return m_n;
}
};
TEST_METHOD(TestConstExprConstruct)
{
constexpr N n(3);
int a[n.getN()] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
}
C++14時代
C++11的constexpr很好，很強大。但是最為令人詬病的就是constexpr函數(shù)限制實在是太多了。于是C++14開始為其松綁：
static constexpr int abs(int n)
{
if (n > 0)
{
return n;
}
else
{
return -n;
}
}
static constexpr int sumFor(int n)
{
int s = 0;
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
s += i;
}
return s;
}
static constexpr int next(int n)
{
return ++n;
}
TEST_METHOD(TestConstExprFunc14)
{
int a[abs(-3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
int b[sumFor(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(6), _countof(b));
int c[next(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(4), _countof(c));
}
基本上，這基本上就是真正的函數(shù)了，不再限制為只能一行代碼了：
- 可以使用分支控制語句了
- 可以使用循環(huán)控制語句了
- 可以修改生命周期和常量表達式相同的變量了，所以連++n之類的表達式也可以支持了
甚至連函數(shù)必須返回一個值，不能是void的限制也被取消了，所以可以寫setN之類的函數(shù)了，不過這個不太常用。
C++17時代
C++17進一步把constexpr的范圍擴展到了lambda表達式：
static constexpr int lambda(int n)
{
return [](int n) { return ++n; }(n);
}
TEST_METHOD(TestConstExprLambda)
{
int a[lambda(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(4), _countof(a));
}
為了讓一個函數(shù)可以適應更多的情況，C++17還把黑手伸向了if語句，引入了所謂的“if constexpr”：
template<typename T>
static bool is_same_value(T a, T b)
{
if constexpr (std::is_same<T, double>::value)
{
if (std::abs(a - b) < 0.0001)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
else
{
return a == b;
}
}
TEST_METHOD(TestConstExprIf)
{
Assert::AreEqual(false, is_same_value(5.6, 5.11));
Assert::AreEqual(true, is_same_value(5.6, 5.60000001));
Assert::AreEqual(true, is_same_value(5, 5));
}
以前，類似的代碼需要一個模板函數(shù)加上一個特化函數(shù)，現(xiàn)在一個函數(shù)就搞定了，真好。
C++20時代
不出意料，C++20繼續(xù)把黑手伸向更多的地方
constexpr和異常：
static constexpr int funcTry(int n)
{
try
{
if (n % 2 == 0)
{
return n / 2;
}
else
{
return n;
}
}
catch (...)
{
return 3;
}
}
TEST_METHOD(TestConstExprTry)
{
int a[funcTry(6)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
int b[funcTry(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(b));
}
constexpr和union：
union F
{
int i;
double f;
};
static constexpr int funcUnion(int n)
{
F f;
f.i = 3;
f.f = 3.14;
return n;
}
TEST_METHOD(TestConstExprUnion)
{
int a[funcUnion(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(3), _countof(a));
}
constexpr和虛函數(shù)
這個有點過分，不知道有多少實際用處，略。
立即函數(shù)
用consteval修飾的函數(shù)，表示在編譯期可以立即執(zhí)行，如果執(zhí)行不了就報錯。
static consteval int sqr(int n)
{
return n * n;
}
TEST_METHOD(TestConstEval)
{
int a[sqr(3)] = { 0 };
Assert::AreEqual(size_t(9), _countof(a));
}
感知常量環(huán)境
這個有點意思，如果可以感知是否是常量環(huán)境，就可以讓一個函數(shù)分別給出編譯期的實現(xiàn)和運行期的實現(xiàn)，其方法是使用std::is_constant_evaluated()：
static constexpr double power(double b, int n)
{
if (std::is_constant_evaluated() && n >= 0)
{
double r = 1.0, p = b;
unsigned u = unsigned(n);
while (u != 0)
{
if (u & 1) r *= p;
u /= 2;
p *= p;
}
return r;
}
else
{
return std::pow(b, double(n));
}
}
TEST_METHOD(TestConstEvaluated)
{
constexpr double p = power(3, 2);
Assert::AreEqual(9.0, p, 0.001);
int m = 2;
Assert::AreEqual(9.0, power(3, m), 0.001);
}
參考資料
《現(xiàn)代C++語言核心特性解析》
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