constexpr 说明符 (C++11 起)

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声明
 

解释

constexpr 说明符声明可以在编译时对函数或变量求值。这些变量和函数（给定了合适的函数实参的情况下）即可用于需要编译期常量表达式的地方。

对象或非静态成员函数 (C++14 前)声明中的 constexpr 说明符蕴含 const。函数或静态数据成员 (C++17 起)声明中的 constexpr 说明符蕴含 inline。如果函数或函数模板的一个声明拥有 constexpr 说明符，那么它的所有声明都必须含有该说明符。

constexpr 变量

constexpr 变量必须满足下列要求：

  • 它必须拥有常量析构，即：
  • 它不是类类型或它的（可能多维的）数组，或
  • 它是类类型或它的（可能多维的）数组，且该类类型拥有 constexpr 析构函数；并且对于作用仅为销毁该对象的虚设表达式 e，如果该对象与它的非 mutable 子对象（但不含它的 mutable 子对象）的生存期始于 e 内，那么 e 是核心常量表达式。

如果 constexpr 变量不是翻译单元局部的，那么它不应被初始化为指代可用于常量表达式的翻译单元局部实体，也不能有指代这种实体的子对象。这种初始化在模块接口单元（在它的私有模块片段外，如果存在）或模块分区中被禁止，并在任何其他语境中被弃用。

(C++20 起)

constexpr 函数

constexpr 函数必须满足下列要求：

(C++20 前)
 (C++20 起)
  • 对于构造函数与析构函数 (C++20 起)，该类必须无虚基类
(C++23 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
  • 带有除 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
（是 =default; 或 =delete; 的函数体均不含任何上述内容。）
(C++14 起)
(C++23 前)

constexpr 构造函数

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

  • 对于类或结构体的构造函数，每个基类子对象和每个非变体非静态数据成员均必须被初始化。如果类是联合体式的类，那么对于它的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
  • 对于非空联合体的构造函数，必须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都是 constexpr 构造函数。

constexpr 析构函数

析构函数不能是 constexpr 的，但能在常量表达式中隐式调用平凡析构函数。

(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都必须是 constexpr 析构函数。
(C++20 起)
 (C++23 前)

对于 constexpr 函数模板和类模板的 constexpr 成员函数，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 的，尽管常量表达式中不能出现这种函数的调用。

如果该模板的所有特化在视为非模板函数时都不能满足 constexpr 的要求，那么该模板非良构，不要求诊断。

(C++23 前)

constexpr 函数，如果未被标为 consteval，以非常量方式使用了立即函数，并且是

  • lambda 的调用运算符，或
  • 预置的特殊成员函数，或
  • 标为 constexpr 的模板化实体的特化

则它隐式变为立即函数。

(C++20 起)

注解

因为 noexcept 运算符始终对常量表达式返回 true，所以它可以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)

可以写出所有调用都不满足核心常量表达式要求的 constexpr 函数： 

void f(int& i) // 不是 constexpr 函数
{
    i = 0;
}
 
constexpr void g(int& i) // C++23 起良构
{
    f(i); // 无条件调用 f，不可能是常量表达式
}
 (C++23 起)

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

引用变量可声明为 constexpr（它的初始化式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，因为静态引用延长了生存期）

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

如果变量拥有常量析构，那么无需为调用它的析构函数而生成机器码，即使它的析构函数不平凡。

非 lambda、非特殊成员且非模板化的 constexpr 函数不能隐式变为立即函数。用户需要将之显式标为 consteval 以使这样的函数定义良构。

(C++20 起)
功能特性测试宏 值 标准 功能特性
__cpp_constexpr 200704L (C++11) constexpr
201304L (C++14) 放宽 constexpr、非 const 的 constexpr 方法
201603L (C++17) constexpr lambda
201907L (C++20) constexpr 函数中的平凡默认初始化和汇编声明
202002L (C++20) 在常量求值中改变联合体的活跃成员
202110L (C++23) constexpr 函数中的非字面变量、标号和 goto 语句
202207L (C++23) 放宽一些 constexpr 限制
202211L (C++23) constexpr 函数中允许 static 的constexpr 变量
202306L (C++26) 从 void* 进行 constexpr 转型：走向 constexpr 类型擦除
__cpp_constexpr_in_decltype 201711L (C++11)
(DR)		 当被常量求值所需要时，生成函数或变量的定义
__cpp_constexpr_dynamic_alloc 201907L (C++20) constexpr 函数中的动态存储期操作

关键词

constexpr

示例

定义 C++11/14 的 constexpr 函数用以计算阶乘；定义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
constexpr int factorial(int n)
{
    return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}
 
// C++14 constexpr 函数可使用局部变量和循环
#if __cplusplus >= 201402L
constexpr int factorial_cxx14(int n)
{
    int res = 1;
    while (n > 1)
        res *= n--;
    return res;
}
#endif // C++14
 
// 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 ?: 来这么做
    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; // 使用 volatile 防止优化
    std::cout << k << "! = " << factorial(k) << '\n'; // 运行时计算
 
    std::cout << "\"Hello, world!\" 里小写字母的个数是 ";
    constN<countlower("Hello, world!")> out2; // 隐式转换为 conststr
 
    constexpr int a[12] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};
    constexpr int length_a = sizeof a / sizeof(int); // C++17 中为 std::size(a)，
                                                      // C++20 中为 std::ssize(a)
    std::cout << "长度为 " << length_a << " 的数组中各元素为: ";
    for (int i = 0; i < length_a; ++i)
        std::cout << a[i] << ' ';
    std::cout << '\n';
}

输出： 

4! = 24
8! = 40320
"Hello, world!" 里小写字母的个数是 9
长度为 12 的数组中各元素为: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 0

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。

缺陷报告 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 1712 C++14 constexpr 变量模板的所有声明都需要包含 constexpr 说明符
（此要求是多余的，因为 constexpr 变量模板的声明不会有多于一条的 constexpr 说明符） 		不再需要
CWG 1911 C++11 非字面类型不允许拥有 constexpr 构造函数 在常量初始化中允许
CWG 2004 C++11 在常量表达式中允许复制/移动有 mutable 成员的联合体 mutable 变体现在无法被隐式复制/移动
CWG 2163 C++14 constexpr 函数中禁止 goto，但允许标号 标号也被禁止
CWG 2268 C++11 cwg 2004 曾禁止了复制/移动有 mutable 成员的联合体 在该对象在常量表达式中创建的情况下允许

参阅

常量表达式 定义可在编译时求值的表达式
consteval 说明符(C++20) 指定函数为立即函数，即对该函数的每次调用必须在常量求值中进行
constinit 说明符(C++20) 断言变量拥有静态初始化，即零初始化与常量初始化
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