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C++-constexpr关键词

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简介

constexpr 为 C++11 提供的说明符，目的是将运算尽量放在编译阶段，而不是运行阶段

声明对象或非静态成员函数 (C++14 前)时使用 constexpr 说明符则同时蕴含 const

声明函数或静态成员变量 (C++17 起)时使用 constexpr 说明符则同时蕴含 inline

如果一个函数或函数模板的某个声明拥有 constexpr 说明符，则其所有声明都必须含有该说明符

constexpr变量

要求

详情见cppreference-constexpr

一句话而言：声明为constexpr的变量一定是常量，而且必须用常量表达式初始化

详解

1. 声明

声明 constexpr 变量时用到的类型被称为字面值类型，声明为 constexpr 的变量一定是一个 const 变量，而且必须用常量表达式初始化

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constexpr int num = 20;         //num为常量表达式
constexpr int incNum = num + 1; //incNum为常量表达式
constexpr int size = size();    //size()为constexpr函数

2. constexpr指针

需要注意的是，与 const 修饰指针不同，一个指针被定义为 constexpr ，关键字仅对指针有效，与指针所指的对象无关

constexpr 指针的初始值受到严格的限制。一个 constexpr 指针的初始值必须是 nullptr 或者 0 ，或者是像先前说的一样是存储某个固定地址的对象

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const int* p = nullptr;     //p为指向整形常量的指针
constexpr int* q = nullptr; //q为指向整型的常量指针

constexpr函数

要求

详情见cppreference-constexpr

一句话而言：函数的返回类型和所有形参必须为字面值类型（声明 constexpr 变量时用到的类型），且函数体中必须有且只有一条 return 语句，但不产生实际代码的语句可以在 constexpr 函数中使用（using，static_assert，typedef， …)

详解

1. 实参传入

当 constexpr 所修饰的函数实参是在运行时才能传入，那么这个 constexpr 是无效的，相当于普通函数

2. 有关返回值

我们允许 constexpr 函数的返回值并非一个常量，而可以是另一个 constexpr 函数的返回值，即为字面值类型即可

使用这个特性，有一些递归函数可以通过 O(n) 的复杂度完成

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//在开启内联优化的编译器上，使用 constexpr 修饰函数和不适用完成斐波拉契函数的递归实现区别
//这个实现的复杂度等同于迭代的方法，基本上为 O(n)
constexpr long int fib1(int n) 
{ 
	return (n <= 1)? n : fib1(n-1) + fib1(n-2); 
} 
//熟悉递归函数就不难证明下面这个函数的时间复杂度为 O(2^n)
long int fib2(int n)
{
    return (n <= 1)? n : fib2(n-1) + fib2(n-2); 
}
int main
{
    constexpr long int res1 = fib1(10);
    long int res2 = fib2(10);
}

反汇编

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...
    constexpr long int res = fib1(10);
00007FF7F0431ACA  mov         dword ptr [res],37h  
    long int res2 = fib2(10);
00007FF7F0431AD1  mov         ecx,0Ah  
00007FF7F0431AD6  call        fib2 (07FF7F04311EAh)  
00007FF7F0431ADB  mov         dword ptr [res2],eax  
...

不难看出，res1 的值是直接通过已经计算出来的值赋的，而 res2 的则是通过调用函数

if constexpr

C++17中引入了一个新用法：

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if constexpr(condition)
...

if constexpr(condition)
...
else
...

if constexpr(condition1)
...
else if constexpr(condition2)
...
else
...

condition所需满足以下两个条件：

  1. 在编译期就能算出true或者false。
  2. 或是通过类型转换为true或者false。
    两个条件只要成立，编译期便会照着是否满足if中条件来选择编译对应块中的内容，可以粗略的认为另一个板块被摒弃了。