C++中const和constexpr的区别：了解常量的不同用法

C++中const和constexpr的区别

  • 一、C++中的常量概念
  • 二、const关键字的用法和特点
  • 三、constexpr关键字的用法和特点
  • 四、const和constexpr的区别对比
    • 4.1、编译时计算能力
    • 4.2、可以赋值的范围
    • 4.3、对类和对象的适用性
    • 4.4、对函数的适用性
    • 4.5、性能和效率的差异
  • 五、使用示例
  • 六、总结

一、C++中的常量概念

在C++中，常量是指其数值或数值引用在程序执行期间不能被改变的变量。常量可以在程序中用来定义一些固定不变的值，如数学常数、固定参数等。在C++中，有两种主要类型的常量：const和constexpr。

const常量概念：

  • 使用关键字const声明的常量，一旦赋值后便不能修改其数值，具有只读属性。
  • 可以作用于变量、指针、引用以及成员函数的参数，保证其在函数内部不会被修改。
  • const在编译时起作用，但是不一定要进行常量表达式的计算。

constexpr常量概念：

  • 使用关键字constexpr声明的常量，必须在编译时期计算出结果，并且其值在编译时即可确定。
  • 可以用于定义常量、函数等，通常用于要求在编译时仅使用常量表达式的场景。
  • constexpr在C++11之后引入，可用于进行更严格的编译时检查和优化。

const关键字的作用：

  • 声明一个常量，即其数值在程序执行期间不能被改变。
  • 可以用于定义普通变量、类成员变量、函数参数等，使其成为只读变量。
  • 通过const修饰能够避免意外的数值修改。

constexpr关键字的作用：

  • 声明一个常量表达式，要求在编译时期计算出结果，以产生一个编译时常量。
  • 可以用于定义常量、函数等，通常用于需要在编译时进行计算的场景，例如数组大小、模板参数等。
  • constexpr在C++11中引入，能够进行更严格的编译时检查和优化，在部分情况下可以提高程序性能。

二、const关键字的用法和特点

两种方式来声明和定义const变量：

  1. 通过变量声明和定义分开的方式（用于在多个文件之间共享const变量）：

    // 声明const变量
extern const int myConst; // 声明一个外部链接的const变量

// 在另一个文件中定义const变量
const int myConst = 10;

  2. 直接声明和定义const变量：

    // 声明并定义const变量
const int myConst = 10;

const 成员函数表示该函数不会修改对象的成员变量，这样的函数可以被 const 对象调用。

示例：

class MyClass {
public:
    void regularFunction() {
        // 正常的成员函数定义
        _val = 1;
    }

    void constFunction() const {
        // const 成员函数定义
        // 在 const 成员函数中不能修改对象的成员变量
    }
private:
	int _val;
};

一旦将一个成员函数声明为 const，那么这个函数就不能对对象的成员变量进行任何修改操作。

const修饰符还可以用于引用和指针类型，以表明它们指向的数据是常量，不能被修改。

const引用：可以通过在引用声明中添加const修饰符来创建const引用，如下所示：

int x = 10;
const int& ref = x;  // 创建一个指向常量的引用

const指针：同样地，在指针声明中添加const修饰符可以创建const指针，如下所示：

int y = 20;
const int* ptr = &y;  // 创建一个指向常量的指针

还可以这样声明指向常量的指针：

int z = 30;
int* const ptr2 = &z;  // 创建一个常量指针

const在编译时的作用：

  1. 如果一个变量被声明为const，则编译器可以将其视为一个常量表达式，从而在编译时进行优化。即编译器可以在编译期间进行常量折叠和替换，而不必在运行时再去计算这个值。

  2. 编译时类型检查：使用const可以将变量声明为只读，确保在编译时不会发生意外的修改。如果尝试在const变量上进行写操作，编译器会报错。

  3. const修饰指针和引用时，可以指示指针和引用所指向的内容为常量，这样可以在编译时进行一定的错误检查。

const的限制：

  1. 常量必须进行初始化：一个变量被声明为const，它必须在声明时进行初始化，否则编译器会报错。这是因为const在C++中被设计为一种“一旦赋值，不可更改”的特性。

  2. 对于const指针或引用来说，虽然它们指向的值是不可修改的，但是它们本身并不是常量。因此，可以通过改变指针或引用的指向来改变它们指向的值，这个要非常小心。

const的适用场景：

  1. 固定不变的数值或变量时，可以将其声明为const，以确保这些值在程序的执行过程中不会被修改。

  2. 将函数的参数声明为const可以确保函数内部不会对参数进行修改，同时向调用者明确表明函数的行为。

  3. 在编译时进行常量折叠和替换。

三、constexpr关键字的用法和特点

constexpr关键字用于声明变量和函数为编译时常量表达式。它可以用于在编译时求值，以及在运行时提供常量值。

constexpr变量的语法：

constexpr type variable_name = value;

其中，type表示变量的类型，variable_name表示变量的名称，value表示变量的初始值。重点注意的是，value必须是一个常量表达式，必须在编译时就可以确定。

示例：

constexpr int width = 10; // 声明一个constexpr变量

constexpr函数的语法：

constexpr return_type function_name(parameters) {
    // 函数体
    return value;
}

return_type表示函数返回值的类型，function_name表示函数的名称，parameters表示函数的参数列表，value表示函数的返回值。重点注意的是，constexpr函数的参数和返回值类型必须是能够在编译期间确定的常量表达式。

示例：

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

注意：在C++14之前，constexpr函数的函数体通常被要求是非常简单的，例如只有一条return语句。但是在C++14中放宽了这一限制，允许constexpr函数包含有限的控制流、局部变量和循环。

constexpr变量的特点：

  • 通过使用constexpr关键字，变量可以在编译时求值，其值在编译期间就已经确定。
  • constexpr变量必须被初始化为常量表达式。
  • constexpr变量可以作为数组的长度、枚举的值、模板参数等。
  • 与const变量不同，constexpr变量的值在编译时即确定，因此可以作为编译时常量来使用。

示例：

constexpr int width = 10; // 定义一个编译时常量
constexpr int area = width * width; // 定义一个编译时常量表达式

constexpr函数的特点：

  • 通过使用constexpr关键字，函数可以在编译时求值。
  • constexpr函数通常用于执行简单的计算，并且其参数和返回值都必须是能够在编译期间确定的常量表达式。
  • constexpr函数可以在编译时被用作模板参数。

示例：

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

前面说了这么多constexpr在编译时的注意事项，这里再总结一下constexpr在编译时的作用：

  1. 常量表达式的求值：constexpr关键字告诉编译器，变量或函数的值可以在编译时求值。即编译器会在编译阶段计算constexpr变量和函数的值，而不是在运行时。这可以在一定程度上提高程序的性能，因为编译时求值的常量表达式可以避免在运行时进行重复的计算。

  2. 编译时的优化：使用constexpr可以让编译器在编译时对代码进行更多的优化。例如，编译器可以在编译期间内联constexpr函数，消除不必要的计算，以及在一些情况下将表达式简化为常量。这可以提高程序的执行效率，并减少运行时的开销。

constexpr的限制：

  1. constexpr函数必须是单一返回语句，并且该语句必须返回一个常量表达式。
  2. constexpr函数在C++11中还有更多的限制，例如不能包含循环、局部变量和复杂的控制流，但在C++14中这些限制已经有所放宽。
  3. constexpr变量必须在声明时进行初始化，并且初始化表达式必须是常量表达式。

constexpr的适用场景：

  1. 当变量的值在编译时已知，并且永远不会改变时，可以使用constexpr变量。这对于一些数学常数或者其他不变的配置参数非常有用。
  2. 当函数需要在编译时进行计算，并且其参数和返回值都是常量表达式时，可以使用constexpr函数。这可以用于在编译时生成特定的值或序列，避免在运行时进行重复的计算。
  3. constexpr还可以用于模板编程中，特别是对于元编程和编译时计算相关的需求。

四、const和constexpr的区别对比

4.1、编译时计算能力

const：

  1. const关键字用于声明常量，它指定了一个变量的值在程序执行期间不能被修改。在编译时，const常量的值是不可更改的，但并不要求其在编译时进行计算。
  2. 由于const变量的值在运行时不能被改变，因此编译器会将const变量存储在只读存储区域中，但并不要求其在编译时进行计算。

constexpr：

  1. constexpr关键字用于声明常量表达式，它要求变量或函数在编译时就能得到计算结果。
  2. 对于constexpr变量，编译器会在编译期间进行常量表达式的求值，而不是在运行时。这意味着constexpr变量的值必须在编译时就能确定。
  3. 同样地，constexpr函数在编译时执行，并且其参数必须是常量表达式，返回值也必须是常量表达式。

示例 1：const

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int x = 5;
    const int y = x + 3;

    cout << y << endl;
    return 0;
}

定义了一个 const 变量 x，并将其值设为 5。然后又定义了一个 const 变量 y，并将其设为 x + 3。这里的 x 和 y 都是在运行时确定的，因此编译器会在程序运行时对 y 的值进行计算。

示例 2：constexpr

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    constexpr int x = 5;
    constexpr int y = x + 3;

    cout << y << endl;
    return 0;
}

constexpr 来定义 x 和 y。在这种情况下，编译器会在编译时就计算出 y 的值，因为 x 和 3 都是在编译时就可以确定的常量。因此，y 的值在编译时就被确定了。

小结：const和constexpr在编译时计算能力上的区别在于const仅指示变量的值在运行时不可修改，而constexpr则要求在编译时进行常量表达式的计算。constexpr更适用于那些需要在编译时确定值或进行编译时计算的场景，而const更适用于普通的常量声明。

4.2、可以赋值的范围

const：

  1. const 可用于声明常量，可以赋值给任何类型的变量，包括全局变量、局部变量、类的成员变量和函数参数。
  2. 可以通过 const 指针指向常量或者通过 const 引用绑定到常量对象，但这些常量本身可以在编译时或者运行时进行初始化。

constexpr：

  1. constexpr 可以用于声明常量，可以赋值给变量、函数、模板参数和构造函数的初始化器。
  2. 在 C++11 中，constexpr 主要用于声明常量，而在 C++14 中，constexpr 进一步扩展到了函数，允许对常量表达式进行计算。
  3. constexpr 也可以用于指针和引用，但是需要指向或者引用在编译时就能确定其值的对象。

const 可以用于声明各种类型的常量，并且可以用于指针和引用的限制不是很严格；而 constexpr 主要用于声明常量，同时还可以用于指示编译时计算。constexpr 在赋值的范围上更加灵活，特别是在 C++14 中的扩展。

4.3、对类和对象的适用性

const：

  1. const 可以用于成员函数的声明，表示该函数不会修改对象的成员变量。同时，const 成员函数可以被一个 const 对象调用，但不能修改其成员变量。
  2. const 对象可以调用对象的 const 成员函数，但不能调用非 const 成员函数，确保对象的成员变量不被修改。

constexpr：

  1. constexpr 关键字在类的成员函数中表示该函数可以在编译时求值，可以用于构造函数、成员函数和类的静态成员函数。
  2. 对于构造函数，可以使用 constexpr 来声明编译时可求值的构造函数，要求构造函数中只能包含编译时可计算的操作。
  3. constexpr 成员函数可以在编译时求值，适用于一些固定值的计算，在 C++14 中可以用 constexpr 成员函数替换类中的静态常量成员。

当涉及到赋值的范围，const 和 constexpr 也有一些不同。让我们通过示例来说明这一点。

示例 1：const

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int x = 5;
    const int* ptr = &x; // 指向常量的指针

    cout << *ptr << endl;
    *ptr = 10;  // 编译器会报错，因为指针指向的是一个常量
    return 0;
}

示例 2：constexpr

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    constexpr int x = 5;
    constexpr int* ptr = &x;

    cout << *ptr << endl;
    *ptr = 10;  // 编译器会报错，因为指针指向的是一个常量
    return 0;
}

小结：const 主要用于指示对象或者成员函数不可修改，限定对象的只读访问行为，而 constexpr 用于指示在编译时可以进行求值的场景，特别适用于一些对值就能确定的操作。constexpr 对于类和对象的适用性更加注重在编译时进行的操作，而 const 更多是关于对象的只读性质。

4.4、对函数的适用性

const：

  1. const 可以用于函数参数和函数返回值的声明。在函数参数中，const 可以表示该参数不会被修改；在函数返回值中，const 可以表示返回的值为常量。
  2. const 成员函数可以用于表示该函数不会修改对象的成员变量，在类中通过 const 关键字来声明成员函数，以确保其在调用过程中不会修改对象的状态。

constexpr：

  1. constexpr 可以用于函数声明，表示该函数可以在编译时求值。在 C++11 中，constexpr 主要用于常量表达式，而在 C++14 中，扩展到了允许对更复杂的函数进行编译时求值。
  2. 在 C++14 中，constexpr 还可以用于标记类的成员函数，以及构造函数和析构函数，表示在编译时就能确定其值或者执行结果的函数。

示例 1：const

#include <iostream>
using namespace std;

void printMessage(const string& msg) {
    cout << msg << endl;
}

int main() {
    const string message = "Hello, world!";
    printMessage(message);
    return 0;
}

示例 2：constexpr

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    constexpr int num = 5;
    constexpr int result = square(num);

    cout << result << endl;
    return 0;
}

小结：const 主要用于标记函数参数和返回值的常量性质，以及在类中用于声明不会修改对象状态的成员函数；而 constexpr 则主要用于表示可以在编译时求值的函数，适用于对一些值在编译时就能确定的操作。constexpr 对于函数的适用性更加注重在编译时进行的操作，而 const 则更多用于标记常量性质。

4.5、性能和效率的差异

const和constexpr的主要区别在于编译时进行的操作和值的确定性。

const:

  • const 定义的常量在运行时是不可修改的，但它的值是在运行时确定的。
  • const 变量的值在编译时可能无法确定，因此每次使用时都需要进行运行时计算。
  • 当 const 变量被频繁地使用并且其值是运行时计算得到的时候，const 可能会导致性能下降。

constexpr:

  • constexpr 在编译时就能确定其值，因此可以用于在编译时进行计算。
  • 使用 constexpr 可以提高程序的性能和效率，因为它在编译时就能确定值，而不需要在运行时进行计算。
  • constexpr 变量可以在编译时被替换为其确定的值，这样可以减少程序运行时的开销。

示例 1：const

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

void printVector(const vector<int>& vec) {
    for (const int& num : vec) {
        cout << num << " ";
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    const int size = 1000000;
    vector<int> numbers;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        numbers.push_back(i);
    }
    
    printVector(numbers);

    return 0;
}

示例 2：constexpr

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    constexpr int num = 5;
    constexpr int result = square(num);

    cout << result << endl;
    return 0;
}

从性能和效率的角度来看，constexpr 在编译时确定值的特性使得它更有可能比 const 变量更有效率。因为它减少了在运行时进行计算的需要，可以在适当的情况下提高程序的性能。但对于一般的常量定义，使用 const 或者 constexpr 都不会对程序的性能产生显著的影响。

五、使用示例

// 使用 const 定义常量
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int max_value = 100;
    cout << "The maximum value is: " << max_value << endl;
    // max_value = 200; // 这行代码会导致编译错误，因为常量不可更改
    return 0;
}

// 使用 constexpr 定义常量
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    constexpr int max_value = 100;
    cout << "The maximum value is: " << max_value << endl;
    return 0;
}

六、总结

const：

  • const 变量在编译时不一定会被计算出具体的值，它可以是一个运行时才能得到的值。所以，const 变量不能用于需要在编译期间计算值的场合。
  • const 变量可以存储在内存中，并可以被编译器优化。
  • const 变量可以用于任何场合，包括函数参数、类成员等。

constexpr：

  • constexpr 变量必须在编译时期就能得到一个确定的值，其值必须能够在编译时计算得出，所以一般用于需要在编译期确定常量值的场合。
  • constexpr 变量更多的是被视为一个编译时的常量表达式，在一些需要常量表达式的地方必须使用 constexpr。
  • constexpr 允许编译器在编译时进行计算，并且可以在一些上下文中被用于要求常量表达式的场合（比如数组大小、模板参数等）。

常量有不同的用法和适用场景：

  1. const变量：

    • 用法：可以通过const关键字定义一个不可改变的变量，如：const int a = 10;
    • 适用场景：常用于定义一个在程序执行过程中其值不会改变的变量，例如常数、固定参数等。

  2. constexpr变量：

    • 用法：可以使用constexpr关键字定义一个编译时常量，要求在编译时期就能得到一个确定的值。
    • 适用场景：常用于要求在编译期计算得到值的场合，例如定义数组大小、模板参数、常量表达式等。

  3. #define预处理器宏：

    • 用法：可以通过#define指令定义一个常量宏，如：#define PI 3.14159
    • 适用场景：常用于定义一些简单的常量，例如数学常数、特定数值、标志位等。

  4. 枚举类型(enum)：

    • 用法：可以通过enum关键字定义一组具名的整型常量，如：enum Week {Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday, Sunday};
    • 适用场景：常用于定义一组相关的常量，例如星期、状态码等。

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