C++之constexpr和常量表达式

常量表达式

常量表达式(const expression)是指值不会改变并且在编译过程就能得到计算结果的表达式。

显然,字面值属于常量表达式,用常量表达式初始化的const对象也是常量表达式

后面将会提到,C++语言中有几种情况下是要用到常量表达式的。

一个对象(或表达式)是不是常量表达式由它的数据类型和初始值共同决定,例如:

const int max_files = 20; // max_files是常量表达式
const int limit =max_files + 1;// limit是常量表达式
int staff_size = 27; // staff_size不是常量表达式
const int sz = get_size(); // sz不是常量表达式


尽管staff_size的初始值是个字面值常量,但由于它的数据类型只是一个普通int而非const int,所以它不属于常量表达式。

另一方面,尽管sz本身是一个常量,但它的具体值直到运行时才能获取到,所以也不是常量表达式。

constexpr变量

在一个复杂系统中,很难(几乎肯定不能)分辨一个初始值到底是不是常量表达式。

当然可以定义一个const变量并把它的初始值设为我们认为的某个常量表达式,但在实际使用时,尽管要求如此却常常发现初始值并非常量表达式的情况。可以这么说,在此种情况下,对象的定义和使用根本就是两回事儿。

C++11新标准规定,允许将变量声明为constexpr类型以便由编译器来验证变量的值是否是一个常量表达式。

声明为constexpr的变量一定是一个常量,而且必须用常量表达式初始化:

constexpr int mf = 20; // 20是常量表达式
constexpr int limit = mf + 1; // mf +1是常量表达式
constexpr int sz = size(); // 只有当size是一个constexpr函数时
// 才是一条正确的声明语句


尽管不能使用普通函数作为constexpr变量的初始值,但是我们下面将要介绍的,新标准允许定义一种特殊的constexpr函数。这种函数应该足够简单以使得编译时就可以计算其结果,这样就能用constexpr函数去初始化constexpr变量了。

一般来说,如果你认定变量是一个常量表达式,那就把它声明成 constexpr类型。

constexpr函数

constexpr函数是指能用于常量表达式的函数。

定义 constexpr函数的方法与其他函数类似,不过要遵循几项约定:

  1. 函数的返回类型及所有形参的类型都得是字面值类型
  2. 函数体中必须有且仅有一条return语句
constexpr int new sz()
{return 42;} 

constexpr int foo= new sz();// 正确:foo是一个常量表达式


我们把 new sz 定义成无参数的 constexpr函数。因为编译器能在程序编译时验证new sz函数返回的是常量表达式,所以可以用new_sz函数初始化constexpr类型的变量foo.

执行该初始化任务时,编译器把对constexpr函数的调用替换成其结果值。为了能在编译过程中随时展开,constexpr函数被隐式地指定为内联函数。

constexpr函数体内也可以包含其他语句,只要这些语句在运行时不执行任何操作就行。

例如,constexpr函数中可以有空语句、类型别名以及using声明。

constexpr函数不一定返回常量表达式

我们允许constexpr函数的返回值并非一个常量

//如果arg是常量表达式,则scale(arg)也是常量表达式
constexpr size_t scale(size_t cnt)
 { return new_sz()*cnt;}

当scale的实参是常量表达式时,它的返回值也是常量表达式;

如果scale的实参不是常量表达式,它的返回值也不是常量。

int arr[scale(2)]; // 正确:scale(2)是常量表达式
int i =2; // i不是常量表达式
int a2[scale(i)]; //错误:scale(i)不是常量表达式


如上例所示,当我们给scale函数传入一个形如字面值2的常量表达式时,它的返回类型也是常量表达式。此时,编译器用相应的结果值替换对scale函数的调用。

如果我们用一个非常量表达式调用scale函数,比如int类型的对象i,则返回值是一个非常量表达式。当把scale函数用在需要常量表达式的上下文中时,由编译器负责检查函数的结果是否符合要求。如果结果恰好不是常量表达式,编译器将发出错误信息。

把内联函数和constexpr函数放在头文件内

和其他函数不一样,内联函数和constexpr函数可以在程序中多次定义。

毕竟,编译器要想展开函数仅有函数声明是不够的,还需要函数的定义。不过,对于某个给定的内联函数或者constexpr函数来说,它的多个定义必须完全一致。

基于这个原因,内联函数和constexpr函数通常定义在头文件中。

字面值类型

常量表达式的值需要在编译时就得到计算,因此对声明constexpr时用到的类型必须有所限制。因为这些类型一般比较简单,值也显而易见、容易得到,就把它们称为“字面值类型”。

到目前为止接触过的数据类型中,算术类型、引用,指针,枚举类型,字面值常量类都属于字面值类型。自定义类 Sales item、IO库、string 类型则不属于字面值类型,也就不能被定义成constexpr。

尽管指针和引用都能定义成constexpr,但它们的初始值却受到严格限制。

一个constexpr指针的初始值必须是nullptr或者0,或者是存储于某个固定地址中的对象。

函数体内定义的变量一般来说并非存放在固定地址中,因此constexpr指针不能指向这样的变量。

 

相反的,定义于所有函数体之外的对象其地址固定不变,能用来初始化constexpr指针。

static变量的地址是不变的。因此,constexpr 引用能绑定static变量上,constexpr 指针也能指向这样的变量。

#include<iostream>
using namespace std;
int bb = 9;//全局变量

void A()
{
	static int a;         //static变量
	constexpr int* b = &a;//可以
}
int main()
{	
	constexpr int* d= &bb;//可以
    constexpr int*e=0;//可以
    constexpr int*f=nullptr;//可以
}

指针和 constexpr 

必须明确一点,在constexpr声明中如果定义了一个指针,限定符constexpr仅对指针有效,与指针所指的对象无关:

const int *p = nullptr; //p是一个指向整型常量的指针
constexpr int *q=nullptr;//q是一个指向整数的常量指针


P和q的类型相差甚远,p是一个指向常量的指针,而q是一个常量指针,其中的关键在于constexpr把它所定义的对象置为了顶层const。

与其他常量指针类似,constexpr指针既可以指向常量也可以指向一个非常量:

constexpr int *np= nullptr;// np是一个指向整数的常量指针,其值为空int j = 0;
constexpr int i = 42; // i的类型是整型常量
//i和j都必须定义在函数体之外
constexpr const int p= &i;// p 是常量指针,指向整型常量i
constexpr int *p1 = &j; // p1是常量指针,指向整数j

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