C++ 中 const 与 constexpr 的辨析

2025-04-02 #C++

在 C++ 中，const 和 constexpr 都增强了代码的健壮性和意图表达，但它们关注点不同。const 关注的是运行时不变性（只读），而 constexpr 关注的是编译时确定性（常量表达式）。

const：运行时或编译时的“只读”

const 是我们更熟悉的关键字。它的核心含义是：一旦初始化，变量的值就不能被修改。

不变性 (Immutability)

这是 const 的主要目的。它告诉编译器和其他开发者这个变量不应该被改变。

const int max_users = 100;

// 错误！不能修改 const 变量
max_users = 101;

初始化时机

const 变量可以在运行时或编译时初始化。这意味着你可以用一个在编译时未知的值来初始化 const 变量。

int get_runtime_value() {
    // ... 可能基于文件、用户输入等 ...
    return 50;
}

// OK: 运行时初始化
const int max_file_descriptors = get_runtime_value(); 
// OK: 编译时初始化
const int compile_time_val = 10 * 10;

const 与指针/引用

const 可以用来修饰指针本身或指针指向的数据（或两者），以及引用。

const int* ptr_to_const; // 指向 const int 的指针 (不能通过 ptr 修改 int)
int* const const_ptr;   // 指向 int 的 const 指针 (指针本身不能指向别处)
const int* const const_ptr_to_const; // 指向 const int 的 const 指针
const int& ref_to_const = max_users; // 对 const int 的引用

constexpr：编译时可求值的“常量表达式”

constexpr 是 C++11 引入的关键字，其核心含义是：这个表达式或函数可以在编译时求值。

编译时求值 (Compile-Time Evaluation)

这是 constexpr 的主要目的。它允许将计算从运行时提前到编译时，可以用于性能优化、模板元编程以及需要编译时常量的地方（如数组大小、模板参数等）。

编译时常量

constexpr 变量必须用常量表达式初始化。常量表达式是指编译器在编译期间就能确定其值的表达式。
constexpr 变量隐含 const。它们的值在初始化后也不能被修改。
它们是真正的编译时常量。

constexpr int compile_time_known = 10;
constexpr int another_compile_time = compile_time_known * 2 + 5; // OK

int runtime_val = 5;
constexpr int invalid = runtime_val;
// 错误！runtime_val 不是常量表达式

int get_runtime_value();
constexpr int also_invalid = get_runtime_value();
// 错误！函数调用结果在编译时未知

函数 (Functions) & 构造函数 (Constructors)

constexpr 函数是指如果用常量表达式作为参数调用，它就能够在编译时产生一个常量表达式结果。

如果用运行时值调用 constexpr 函数，它就像普通函数一样在运行时执行。

C++11 对 constexpr 函数限制较多，C++14 及以后放宽了限制，允许包含更多逻辑（如局部变量、循环、if 语句等），只要满足能在编译时求值的条件即可。

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

int main() {
  // 编译时计算 val1 = 25
  constexpr int val1 = square(5); 

  int x = 10;
  // 运行时计算 val2 = 100
  int val2 = square(x);

  // OK: square(3) -> 9，是编译时常量
  std::array<int, square(3)> arr; 
  // 错误: square(x) 不是编译时常量
  // std::array<int, square(x)> arr2; 
  return 0;
}

两者何时使用？

当你需要一个变量在初始化后不被修改，但其初始值可能在运行时才能确定时，使用 const。

1 2	// 运行时确定 const std::string user_name = getCurrentUserName();

当你需要一个真正的编译时常量时（例如用于数组大小、模板非类型参数、枚举值、需要保证在编译期就固定的值），或者你想确保某个计算能在编译时完成，使用 constexpr。

constexpr size_t buffer_size = 1024;
std::array<char, buffer_size> buffer;

constexpr int max_value = calculate_max_at_compile_time(10);

对于函数，如果你希望它有可能在编译时执行（当输入是编译时常量时），就将其标记为 constexpr。

2025-04-02 #C++