constexpr

本節解決什麼問題

有些計算在編譯時就已經知道結果，但如果用普通函數，卻要等到運行時才計算——浪費了 CPU 時間。此外，某些場景（數組大小、模板參數、static_assert）必須使用編譯期常量，普通變量做不到。

constexpr 讓函數和變量在編譯期就能求值，把運行時開銷轉移到編譯期，還能用在"必須編譯期常量"的地方。

這個特性是什麼

constexpr 聲明一個變量或函數可以在編譯期求值。從 C++11 開始引入，後續標準不斷增強。

C++ 標準版本

C++11（隨後的每個版本都有增強）

需要的頭文件

不需要額外頭文件。constexpr 是語言關鍵字。

基本語法

// constexpr 变量：值在编译期确定
constexpr int size = 100;

// constexpr 函数：可以在编译期执行
constexpr int square(int n)
{
    return n * n;
}

// constexpr 变量可以用编译期函数初始化
constexpr int val = square(5);  // 编译期计算

// C++20 consteval：必须在编译期执行（不能运行时调用）
consteval int cube(int n)
{
    return n * n * n;
}

const vs constexpr

constexpr、consteval、constinit 的區別

這三個詞看起來都和"常量"有關，但解決的問題不同。初學時先掌握 constexpr，再理解 C++20 的 consteval 和 constinit。

一句話區分：constexpr 偏"能不能算"，consteval 偏"必須現在算"，constinit 偏"初始化時機必須早"。

示例代碼

示例 1：constexpr 變量——必須編譯期確定

#include <iostream>

int main()
{
    constexpr int size = 10;        // 编译期常量
    int arr[size];                  // ✅ 可以用作数组大小

    const int runtime_size = size;  // const 可以用编译期常量初始化
    int arr2[runtime_size];         // ✅ 也可以用作数组大小（因为初始化值是 constexpr）

    int n = 5;
    // constexpr int s2 = n;        // ❌ n 是运行时变量，不能初始化 constexpr
    const int s3 = n;               // ✅ const 可以在运行时初始化
    // int arr3[s3];                // ❌ s3 不是编译期常量，不能用作数组大小

    std::cout << "size = " << size << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

size = 10

示例 2：在示例 1 基礎上，constexpr 函數

#include <iostream>

// constexpr 函数：编译期可执行
constexpr int factorial(int n)
{
    int result = 1;
    for (int i = 1; i <= n; ++i)  // C++14 起支持循环
    {
        result *= i;
    }
    return result;
}

int main()
{
    // 编译期计算：factorial(5) 在编译时就得到 120
    constexpr int f5 = factorial(5);
    std::cout << "factorial(5) = " << f5 << "\n";

    // 也可运行时调用
    int n;
    std::cout << "Enter a number: ";
    std::cin >> n;
    std::cout << "factorial(" << n << ") = " << factorial(n) << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

factorial(5) = 120
Enter a number: 4
factorial(4) = 24

示例 3：在示例 2 基礎上，constexpr 用於模板和編譯期檢查

#include <iostream>

// constexpr 函数：编译期判断是否为质数
constexpr bool is_prime(int n)
{
    if (n <= 1) return false;
    for (int i = 2; i * i <= n; ++i)
    {
        if (n % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

// 编译期静态断言
static_assert(is_prime(2), "2 is prime");
static_assert(is_prime(7), "7 is prime");
static_assert(!is_prime(9), "9 is NOT prime");

// 编译期生成质数数组
constexpr int get_nth_prime(int n)
{
    int count = 0;
    int num = 1;
    while (count < n)
    {
        ++num;
        if (is_prime(num))
        {
            ++count;
        }
    }
    return num;
}

int main()
{
    constexpr int primes[] = {
        get_nth_prime(1),  // 2
        get_nth_prime(2),  // 3
        get_nth_prime(3),  // 5
        get_nth_prime(4),  // 7
        get_nth_prime(5)   // 11
    };

    std::cout << "First 5 primes: ";
    for (int p : primes)
    {
        std::cout << p << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

First 5 primes: 2 3 5 7 11 

示例 4：C++17 constexpr lambda

#include <iostream>

int main()
{
    // constexpr lambda：编译期可调用
    constexpr auto square = [](int x) constexpr {
        return x * x;
    };

    constexpr int result = square(5);  // 编译期计算
    std::cout << "square(5) = " << result << "\n";

    // constexpr lambda 也可运行时调用
    int n = 7;
    std::cout << "square(" << n << ") = " << square(n) << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

square(5) = 25
square(7) = 49

示例 5：在示例 4 基礎上，constexpr 可以運行期調用，consteval 不行

#include <iostream>

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

consteval int compile_time_square(int x)
{
    return x * x;
}

int main()
{
    constexpr int a = square(5);              // 编译期计算
    int n = 7;
    int b = square(n);                        // 运行期调用，也允许

    constexpr int c = compile_time_square(6); // 必须编译期计算
    // int d = compile_time_square(n);        // ❌ 编译错误：n 不是编译期常量

    std::cout << "a = " << a << "\n";
    std::cout << "b = " << b << "\n";
    std::cout << "c = " << c << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

a = 25
b = 49
c = 36

運行結果

見上方每個示例的"運行結果"。

示例中的關鍵語法解釋

常見錯誤

錯誤 1：把運行時變量賦給 constexpr

int n = 5;
constexpr int x = n;  // ❌ n 不是编译期常量

正確做法：const int x = n;（用 const 而不是 constexpr）。

錯誤 2：constexpr 函數假設所有情況都能編譯期求值

constexpr int divide(int a, int b)
{
    return a / b;  // 编译期 b=0 会导致编译错误
}
constexpr int x = divide(10, 0);  // ❌ 编译错误！

正確做法：編譯期調用時注意參數合法性。

錯誤 3：constexpr 函數內部有未定義行為

constexpr int get(int* p)
{
    return *p;  // 编译期不能解引用空指针
}
constexpr int x = get(nullptr);  // ❌ 编译错误！

正確做法：constexpr 函數中避免未定義行為。

錯誤 4：以為 constexpr 函數一定在編譯期執行

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

int n = 5;
int y = square(n);  // ✅ 这是运行期调用，不是编译期调用

正確做法：需要強制編譯期時，把結果放進 constexpr 變量、static_assert、模板參數中；C++20 起也可以使用 consteval 函數。

使用建議

1. 能用 constexpr 表達的就用 constexpr：把運行時計算移到編譯期，程序性能更好。
2. constexpr 函數既編譯期又運行期：不必寫兩份代碼。
3. 用 static_assert 做編譯期檢查：配合 constexpr 函數非常強大。
4. constexpr 不是"更快"的魔法：對於小函數，編譯器本來就會優化。但對於常量表、預計算等場景很有用。
5. 需要"必須編譯期"才考慮 consteval：普通工具函數優先寫 constexpr，限制更少。

小結

• constexpr 變量必須在編譯期確定，可以用作數組大小、模板參數等。
• constexpr 函數可以在編譯期執行（參數也都是 constexpr 時）。
• constexpr 函數也可以運行期調用；consteval 才是必須編譯期調用。
• const 強調"不可修改"，constexpr 強調"編譯期求值"。
• C++17 起 lambda 可以用 constexpr。
• static_assert + constexpr 函數 = 編譯期安全網。