constexpr 说明符(C++11 起)

< cpp‎ | language
 
C++
 
C++ 语言
 
声明
 

解释

constexpr 说明符声明 可以 在编译时求 得 函数 或变量的 值。 然后这些 变量和函数（若给定了合适的函数实参）即可用于仅允许编译时常量表达式之处。用于对象或非静态成员函数 (C++14 前)声明的 constexpr 说明符蕴含 const。用于函数声明的 constexpr 说明符或 static 成员变量 (C++17 起)蕴含 inline。若函数或函数模板的任何声明拥有 constexpr 说明符，则每个声明必须都含有该说明符。

constexpr 变量必须满足下列要求：

  • 它必须拥有常量析构，即：
  • 它既非类类型亦非其（可能多维的）数组，或、
  • 它是类类型或其（可能多维的）数组，该类类型拥有 constexpr 析构函数，而对于仅有的作用为销毁该对象的虚设表达式 e ，假如认为该对象与其非 mutable 子对象（但非其 mutable 子对象）的生存期始于 e 内，则 e 会是核心常量表达式。
(C++20 起)

若 constexpr 变量非翻译单元局部，则它不应被初始化为指向或指代可用于常量表达式的翻译单元局部实体，或拥有指向或指代这种实体的（可能递归的）子对象。这种初始化在模块接口单元（在其私有模块片段外，若有）或模块划分中被禁止，而在任何其他语境中被弃用。

(C++20 起)

constexpr 函数必须满足下列要求：

  • 它必须非虚
(C++20 前)
 (C++20 起)
 (C++20 前)
  • 函数体必须被弃置或预置，或只含有下列内容：
(C++14 前)
  • 函数体必须不含：
  • goto 语句
  • 拥有除 case 和 default 之外的标号的语句
(C++20 前)
  • 非字面类型的变量定义
  • 静态或线程存储期变量的定义
（=default; 或 =delete; 的函数体不含任何上述内容。）
(C++14 起)

函数体非 =delete; 的 constexpr 构造函数必须满足下列额外要求：

  • 对于 class 或 struct 的构造函数，每个子对象和每个非变体非 static 数据成员必须被初始化。若类是联合体式的类，对于其每个非空匿名联合体成员，必须恰好有一个变体成员被初始化
  • 对于非空 union 的构造函数，恰好有一个非静态数据成员被初始化
(C++20 前)
  • 每个被选用于初始化非静态成员和基类的构造函数必须是 constexpr 构造函数。

析构函数不能为 constexpr ，但能在常量表达式中调用平凡析构函数。

(C++20 前)

函数体非 =delete; 的 constexpr 析构函数必须满足下列额外要求：

  • 每个用于销毁非静态数据成员与基类的析构函数必须为 constexpr 析构函数。
(C++20 起)

对于 constexpr 函数模板和类模板的 constexpr 函数成员，必须至少有一个特化满足上述要求。其他特化仍被认为是 constexpr，尽管常量表达式中不能出现这种函数的调用。

注解

因为 noexcept 运算符始终对常量表达式返回 true，故它可用于检查具体特定的 constexpr 函数调用是否采用常量表达式分支： 

constexpr int f(); 
constexpr bool b1 = noexcept(f()); // false，constexpr 函数未定义
constexpr int f() { return 0; }
constexpr bool b2 = noexcept(f()); // true，f() 是常量表达式
 (C++17 前)

constexpr 构造函数允许用于非字面类型的类。例如，std::unique_ptr 的默认构造函数是 constexpr，允许常量初始化。

引用变量可声明为 constexpr（其初始化器必须是引用常量表达式）： 

static constexpr int const& x = 42; // 到 const int 对象的 constexpr 引用
                                    // （该对象拥有静态存储期，因为 static 引用续命）

尽管在 constexpr 函数中允许 try 块与内联汇编，常量表达式中仍然不允许抛异常或执行汇编。

若变量拥有常量析构，则无需为调用其析构函数而生成机器码，即使其析构函数非平凡。

(C++20 起)

关键词

constexpr

示例

计算阶乘的 C++11 constexpr 函数的定义，及扩展字符串字面量的字面类型：

运行此代码
#include <iostream>
#include <stdexcept>
 
// C++11 constexpr 函数使用递归而非迭代
// （C++14 constexpr 函数可使用局部变量和循环）
constexpr int factorial(int n)
{
    return n <= 1? 1 : (n * factorial(n - 1));
}
 
// 字面类
class conststr {
    const char* p;
    std::size_t sz;
public:
    template<std::size_t N>
    constexpr conststr(const char(&a)[N]): p(a), sz(N - 1) {}
 
    // constexpr 函数通过抛异常来提示错误
    // C++11 中，它们必须用条件运算符 ?: 这么做
    constexpr char operator[](std::size_t n) const
    {
        return n < sz ? p[n] : throw std::out_of_range("");
    }
    constexpr std::size_t size() const { return sz; }
};
 
// C++11 constexpr 函数必须把一切放在单条 return 语句中
// （C++14 无此要求）
constexpr std::size_t countlower(conststr s, std::size_t n = 0,
                                             std::size_t c = 0)
{
    return n == s.size() ? c :
           'a' <= s[n] && s[n] <= 'z' ? countlower(s, n + 1, c + 1) :
                                        countlower(s, n + 1, c);
}
 
// 输出要求编译时常量的函数，用于测试
template<int n>
struct constN
{
    constN() { std::cout << n << '\n'; }
};
 
int main()
{
    std::cout << "4! = " ;
    constN<factorial(4)> out1; // 在编译时计算
 
    volatile int k = 8; // 不允许使用 volatile 者优化
    std::cout << k << "! = " << factorial(k) << '\n'; // 运行时计算
 
    std::cout << "the number of lowercase letters in \"Hello, world!\" is ";
    constN<countlower("Hello, world!")> out2; // 隐式转换到 conststr
}

输出： 

4! = 24
8! = 40320
the number of lowercase letters in "Hello, world!" is 9

缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

DR 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 1911 C++11 不允许对于非字面类型的 constexpr 构造函数 在常量初始化中允许
CWG 2004 C++14 在常量表达式中允许复制/移动有 mutable 成员的联合体 去除 mutable 变体隐式复制/移动的资格
CWG 2163 C++14 尽管 goto 在 constexpr 函数中被禁止，标号却得到允许 标号也被禁止
CWG 2268 C++14 cwg 2004 曾禁止了复制/移动有 mutable 成员的联合体 若该对象在常量表达式中创建，则允许

参阅