条款15：尽可能使用constexpr

条款15：尽可能使用 constexpr

constexpr 表示一个值不仅是常量（const），而且必须在编译期已知。

constexpr 对象 vs 函数

用法	描述
constexpr 变量	必须在编译期能被计算，且隐含 const。
constexpr 函数	如果传入编译期常量，结果也会是编译期常量；否则在运行期计算。

constexpr 对象

所有 constexpr 对象都是 const。

但并非所有 const 对象都是 constexpr（因为 const 对象可以运行期初始化）。

constexpr int size = 10;
std::array<int, size> arr;  // 正确，size 是编译期常量

const int runtimeSize = getValue();  // 非 constexpr
std::array<int, runtimeSize> arr;    //  编译错误

• 适用于数组长度、模板参数、枚举值、对齐修饰符等需要整型常量表达式的地方。

constexpr 函数

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept {
    return (exp == 0 ? 1 : base * pow(base, exp - 1));
}

• 如果实参是编译期可知的常量 → 在编译期执行
• 如果实参不是编译期常量 → 像普通函数一样在运行时执行

C++11 vs C++14 中的 constexpr 限制

C++11 限制	C++14 改进
只能有一条 return 语句	允许多语句、变量定义、循环等
成员函数隐式 const	可以有非常量成员函数（如 setX）
返回类型必须是字面值类型（Literal）	更灵活（支持 void 返回等）

C++14 中更自然的写法：

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept {
    int result = 1;
    for (int i = 0; i < exp; ++i) result *= base;
    return result;
}

constexpr 类的构造和成员函数

class Point {
public:
    constexpr Point(double x = 0, double y = 0) noexcept : x(x), y(y) {}
    constexpr double xValue() const noexcept { return x; }
    constexpr double yValue() const noexcept { return y; }
	
    // 可以有非常量成员函数
    constexpr void setX(double newX) noexcept { x = newX; }  // C++14+
    constexpr void setY(double newY) noexcept { y = newY; }  // C++14+

private:
    double x, y;
};

可以在 constexpr 函数中构造对象、访问成员、进行计算：

constexpr Point midpoint(const Point& p1, const Point& p2) noexcept {
    return Point{ (p1.xValue() + p2.xValue()) / 2,
                  (p1.yValue() + p2.yValue()) / 2 };
}

constexpr 的用途示例

• 编译期计算表达式（替代浮点 std::pow）
• 实例化模板参数
• 初始化静态数组长度
• 更高效：常量放入只读内存

注意事项

优点

• constexpr 对象和函数使用场景更多。
• 编译器可更早发现错误，还能进行性能优化（如内联、常量传播等）。

风险

• constexpr 是接口的一部分。
• 一旦加入就不能轻易移除，否则会破坏调用代码。
• 添加调试语句（如 I/O）或异常处理可能使函数不再 constexpr。

设计建议

• 如果函数能始终在编译期求值，就声明为 constexpr。
• 不要为了 constexpr 而强行写死函数逻辑。
• 对于长期稳定性有要求的接口，谨慎添加 constexpr。

总结

建议	原因
尽可能使用 constexpr	提高函数和变量的适用范围，提升性能与可靠性
优先用于编译期必须常量的位置	如模板参数、数组大小、alignas、枚举值等
C++14 更适合 constexpr 编程	支持更丰富的函数体和返回类型
不盲目添加	一旦添加，影响接口兼容性