一. const 和constexpr的区别
(一)修饰变量时,const为“运行期常量”,即运行期数据是只读的。而constexpr为“编译期”常量,这是const无法保证的。两者都是对象和函数接口的组成部分。
(二)修饰函数时,与const关键字相比,constexpr关键字不仅可以修饰变量和指针,还可以修饰函数(含构造函数)。注意constexpr用于定义自定义类的对象时,要求该类具有常量构造函数,而使用const定义类对象时,则无此要求。
(三)两者在修饰指针时,行为有所差异。const放在*号前,表示指针指向的内容不能被修改.const放在*号后,表示指针不能被修改;而constexpr关键字只能放在*号前面,并且表示指针所指的内容不能被修改。
二、常量表达式函数
(一)构成constexpr函数的条件
1. 函数体只有单一的return语句(可以通过“:”或递归来扩展)。在C++14中这条己经不再是限制。
2. 函数体必须有返回值(C++11中要求不能是void函数,但C++14己不再限制)
3、constexpr函数内部不能调用非常量表达式的函数,会造成编译失败。
4. return返回语句表达式中不能使用非常量表达式的函数、全局数据,且必须是一个常量表达式。
(二)注意事项
1. 在使用常量表达式函数前,必须先被定义。不能先声明,然后在函数调用后再定义。
2. constexpr函数在调用时若传入的实参均为编译期己知的,则返回编译期常量。只要任何一个实参在编译期未知,则它的运作与普通函数无异,将产生运行期结果。
3. constexpr函数的构成条件不满足时,就会变成一个普通的函数。同时constexpr函数可以同时应用于编译期语境或运行期语境(编译期语境如constexpr int a = func_constexpr(x, y)。运行期语境如int a = func_constexpr(x, y))。
【编程实验】const和constexpr的差异
#include <iostream> #include <array> using namespace std; int g_count = 0; int normalfunc(int x) { return x; } //constexpr函数(即可当编译期常量表达式函数,也可以当作普通函数使用) constexpr int func1(int x) { return x + 2; } constexpr void func2(){} //普通函数,constexpr必须有非void的返回值类型 constexpr int func3(); //注意这里只声明,定义在main()函数之后 //constexpr int func4() //编译失败 //{ // int x = normalfunc(2); //调用了非constexpr函数! // return x; //} //幂函数:用于计算base的exp次幂 constexpr int pow(int base, int exp) { //版本1:递归(一条语句)----> C++11要求有且只有一条语句(即return语句)。 //return (exp == 0) ? 1 : base * pow(base, exp - 1); //版本2:非递归(多条语句) --->C++14以上 auto ret = 1; for (int i = 0; i < exp; ++i) { ret *= base; } return ret; } int main() { //1.1 修饰变量时 int x = 0; //非constexpr变量 const int y = 0; constexpr int a = 2; //a为编译期常量 constexpr int b = a + 4; //b为编译期常量 constexpr int c = y + 1; //c为编译期常量,y直接取自符号表,而不是来自内存值。 //constexpr auto m = x; //error,因为x不是常量 const auto n = x; //ok, d为x的副本 constexpr auto N = 10; //std::array<int, n> arr1; //error, n不是编译期常量 std::array<int, N> arr2; //ok, N为编译期常量 std::array<int, c> arr3; //ok, c为编译期常量 constexpr auto exp = 5; std::array<int, pow(3, exp)> arr4; //ok! pow是constexpr函数 //std::array<int, pow(3, x)> arr5; //error! x为运行期变量,从而导致pow返回值为运行期的值 //1.2 constexpr修饰指针时,表示指针本身不可修改!!!(constexpr只能放在*的左侧) constexpr int* ptr2 = &g_count; //ok,全局变量,编译期地址可确定 //ptr2 = nullptr; //注意,与const不同,这里表示ptr2是常量。 *ptr2 = 100; //constexpr int* ptr1 = &x; //error,因为x在栈上分配,在编译期不能确定其地址。 //1.3 修饰函数时 int var1 = func3(); //ok! func3先声明,使用后定义。 //constexpr int var2 = func3(); //error,在调用函数前,func3必须定义好了(不能只看到声明)。 constexpr int c1 = func1(N); //constexpr语境: 返回值赋值constexpr变量,是constexpr函数(实参也为constexpr)。 int c2 = func1(x); //非constexpr语境:func1用于返回值赋值给普通变量时,当作普通函数使用! int c3 = func1(N); //非constexpr语境:func1用于返回值赋值给普通变量时,当作普通函数使用! return 0; } constexpr int func3() //声明放在main之前,这里是定义! { return 0; }
三、constexpr的应用
(一)定义自定义类的constexpr对象。
1. 自定义类的构造函数须为constexpr函数。
2. constexpr不能用于修饰virtual函数。因为virtual是运行时的行为,与constexpr的意义冲突。
3. C++11中被声明为constexpr成员函数会自动设为const函数,但C++14中不再自动设为const函数。
(二)函数模板: 实例化后的函数是否为constexpr函数,在编译期是不确定的,取决于传入的实参是否为constexpr类型。
(三)constexpr类型的函数递归
1. 利用constexpr进行编译期运算的编程方式称为constexpr元编程
2 .基于模板编译期运算的编程方式,叫模板元编程。
【编程实验】constexpr的应用
#include <iostream> using namespace std; //1. constexpr构造函数和成员函数 class Point { double x, y; public: //常量表达式构造函数 constexpr Point(double x=0, double y=0) noexcept : x(x),y(y){} //成员函数(注意:constexpr不允许用于修饰virtual函数) constexpr double getX() const noexcept { return x;} //constexpr函数,在C++11中默认为const函数。但C++14中取消了,这里加const constexpr double getY() const noexcept { return y;} //以下两个函数在C++11中无法声明为constexpr(C++14可以!),原因如下: //1.C++11中被声明为constexpr成员函数会自动设为const函数,而这两个函数需要更改成员变量的值,这与const成员函数 //却不允许需改成员的值,会产生编译错误。C++14中constexpr函数不再默认为const函数,因此可以修改成员变量。 //2. C++11中constexpr函数不能返回void型,但C++14中不再限制。 constexpr void setX(double newX) noexcept { x = newX; } //C++11中须去掉constexpr; constexpr void setY(double newY) noexcept { y = newY; } }; //计算中点坐标 constexpr Point midpoint(const Point& p1, const Point& p2) noexcept { //p1和p2均为const对象,会调用const版本的getX()和getY() return { (p1.getX() + p2.getX()) / 2, (p1.getY() + p2.getY()) / 2 }; } //返回p相对于原点的中心对称点(C++14) constexpr Point reflection(const Point& p) noexcept { Point ret; ret.setX(-p.getX()); ret.setY(-p.getY()); return ret; } //2. 函数模板:(constexpr元编程) //函数是否为constexpr函数,编译期未知。取决于传入的实参t是否为constexpr变量/对象 template<typename T> constexpr T func(T t) { return t; } struct NotLiteral { int i; NotLiteral():i(5){} //注意:构造函数不是constexpr类型! }; //3.constexpr类型的递归函数 //3.1 求斐波那契数 constexpr int Fib(int n) { return (n == 1) ? 1 : ((n == 2) ? 1 : Fib(n-1) + Fib(n -2)); } //3.2 模板递归(模板元编程) template<long N> struct Fibonacci { static const long val = Fibonacci<N - 1>::val + Fibonacci<N - 2>::val; }; //特化 template<> struct Fibonacci<2> { static const long val = 1; }; template<> struct Fibonacci<1> { static const long val = 1; }; template<> struct Fibonacci<0> { static const long val = 0; }; void printArray(int a[], int len) { cout << "Fibonacci: "; for (int i=0; i<len; ++i) { cout << a[i] << " "; } cout << endl; } int main() { //1. 用constexpr定义自定义类的对象(要求该类具有constexpr构造函数) constexpr Point p1(9.4, 27.7); //ok, p1为编译期常量 constexpr Point p2{ 28.8, 5.3 }; //ok,同上 //1.1求中点 constexpr auto mid = midpoint(p1, p2); //mid为编译期常量,mid.getX()也是编译期常量!!! //1.2求关于原点的对称点 constexpr auto reflectedMid = reflection(mid); //2. constexpr型的函数模板 NotLiteral n1; //非constexpr对象 NotLiteral n2 = func(n1); //传入实参为非constexpr对象,func成为普通函数! //constexpr NotLiteral n3 = func(n1); //error,由于NotLiteral的构造函数不是constexpr类型, //不能用constexpr定义该类型的constexpr的对象!!! constexpr int a = func(1); //ok,1为constexpr对象 //3. constexpr类型递归函数 int fib1[]{ Fib(11), Fib(12), Fib(13), Fib(14) }; printArray(fib1, 4); int fib2[] = { Fibonacci<11>::val, Fibonacci<12>::val, Fibonacci<13>::val, Fibonacci<14>::val }; printArray(fib1, 4); return 0; } /*输出结果 Fibonacci: 89 144 233 377 Fibonacci: 89 144 233 377 */