C++20：constexpr、consteval和constinit
缘由
C++之父Bjarne Stroustrup和Gabriel Dos Reis于2003年向C++标准委员会提出了一种用于编译期求值的更好的机制。他们的目标：
- 让编译时计算达到类型安全
- 通过将计算移至编译时，提升运行效率
- 支持嵌入式编程
- 直接支持元编程（而非模板元编程）
- 让编译时编程和“普通编程”类似
2003年提议实现：允许在常量表达式中使用以constexpr为前缀的函数，还允许常量表达式使用简单的用户自定义类型，即字面值常量，这些字面值常量是一种所有运算都是constexpr的类型。
C++标准
C++标准委员会从C++11开始支持Bjarne Stroustrup和Gabriel Dos Reis的提议：
- C++11引入constexpr关键字，此时constexpr可修饰变量亦可函数，但是要求函数必须是纯函数；
- C++14标准移除了C++11的大部分限制，允许constexpr函数使用局部变量，同时实现对其他函数的支持；
- C++17 将 constexpr 关键字引⼊到 if 语句，允许lambda声明为constexpr；
- C++20允许将字面值类型用做模板参数。
到C++20对constexpr的完整支持，constexpr标准化跨越了13年，由4个标准实现。C++20也是最接近最初语言设计模板的版本，但是constexpr 函数的设计其实也不够严谨，所以 C++20 又引入了 consteval；由于constexpr仅能实现编译时常量求值，为了解决编译时非常量求值问题，C++20又引入了constinit关键字。
具备下述条件的函数，我们称之为纯函数
- 函数无法访问非本地对象
- 函数不能对调用者的环境产生副作用
C++11
C++11中的constexpr可修饰变量亦可修饰函数。但是无论是修饰变量还是函数，都要求其必须能在编译期常量求值。
constexpr变量
C++11标准规定，满足下述条件的变量，可声明为constexpr变量：
- 变量的类型必须是字面类型
- 变量必须立即被初始化
- 变量的初始化包括所有隐式转换、构造函数调用等的全表达式必须是常量表达式
- 变量的类型不能是类类型或类类型的数组
constexpr表达式
constexpr表达式是指值不会改变并且在编译过程就可求值的表达式。声明为constexpr的变量一定const变量，而且必须用常量表达式初始化。
例如：
constexpr int hoursOfDay = 24; // 24 是常量表达式
constexpr int minutesOfHour = 60; // 60 是常量表达式
constexpr int minutesOfDay = hoursOfDay * minutesOfHour; // hoursOfDay和minutesOfHour都是常量表达式，所以hoursOfDay * minutesOfHour也是常量表达式。
constexpr int seconds = secondsOfDay(); // secondsOfDay必须是常量函数，否则此声明非法。
constexpr与自定义类型
对应自定义类型，不能用constexpr 直接修饰类型，例如：
constexpr struct Rectangle // constexpr 修饰自定义类型无效
{int length;int width;
};
如果要定一个结构体/或类常量对象，可采用这样的实现模式，例如：
struct Rectangle
{int length;int width;
};constexpr Rectangle rect{1, 2};
constexpr int length = rect.length;
constexpr int width = rect.width;constexpr与指针
如果一个指针声明为constexpr，那么限定符constexpr仅对指针有效，与指针所指对象无关。例如：
#include int main()
{int i = 1;int j = 2;std::cout << "i=" << i << std::endl;constexpr int* p = &i;*p = 8;std::cout << "i=" << i << std::endl;//p = &j; // 由于p有constexpr限定，导致此行代码编译失败return 0;
}
代码执行结果
i=1
i=8
constexpr函数
C++11标准规定，满足下述条件的函数，可声明为constexpr函数：
- 函数必须为非虚函数
- 函数体不能包含try和goto语句
- 函数的返回值和入参必须都是字面类型
- 函数体只能包含:
– 空语句（仅分号）
– static_assert 声明
– 类或枚举的 typedef 声明及别名声明
– using 声明
– using 指令
– 如果函数不是构造函数，函数体仅能存在一条return 语句 - 构造函数可声明为constexpr(而且该类必须无虚基类)，析构函数不可声明为constexpr
– 函数体不能=delete
– 每个子对象都必须初始化，而且子对象都必须存在 constexpr 构造函数
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。
- constexpr非构造函数最多只能包含一行return语句，例如constexpr 斐波那契数列。
// 此斐波那契数列实现的复杂度等同于迭代的方法，基本上为O(n)。
constexpr long int fibonacci(int n)
{ return (n <= 1)? n : fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2); //只能包含一个retrun语句
}
- constexpr只能引用全局字面值常量(编译阶段即可确定取值的变量)，例如：
constexpr int DAYS_OF_YEAR = 365;
constexpr int daysOfYear()
{return DAYS_OF_YEAR;
}
- constexpr只能调用其他constexpr函数，不能调用非constexpr函数。例如：
constexpr int hoursOfYear()
{return 24 * daysOfYear();
}
- constexpr可以用于模板类和函数模板，而且可将非 constexpr 模板的显式专用化声明为 constexpr，例如：
// 例 1： 函数模板
// Compile-time computation of array length
template
constexpr int length(const T(&)[N])
{return N;
}const int nums2[length(nums) * 2] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
// 例 2： 将非 constexpr 模板的显式专用化声明为 constexpr
#include template
struct Fibonacci
{static constexpr uint64_t value = Fib::value + Fib::value
};template<>
struct Fibonacci<1>
{static constexpr uint64_t value = 1;
};template<>
struct Fibonacci<2>
{static constexpr uint64_t value = 1;
};int main()
{auto value = Fibonacci<26>::value;return 0;
}
C++14
C++11标准中，constexpr 修饰函数除了可以包含 using 指令、typedef 语句以及 static_assert 断⾔ 外，只能包含⼀条 return 语句。而C++14标准允许 constexpr函数使用局部变量，同时实现对其他函数的支持，所以constexpr 修饰的函数可包含 if/switch 等条件语句，也可包含 for 循环。
虽然C++14放开了很多限制，但是依然存在部分C++11存在的严格限制：
- 函数体内不能有goto和try块，以及任何static和局部线程变量；
- 在函数中只能调用其他constexpr函数；
- 该函数也不能有任何运行时才会有的行为，比如抛出异常、使用new或delete操作等等；
- constexpr函数依然必须是纯函数
所以在C++14中，如果把斐波那契函数可以改成普通函数一样，它的可读性会大大提升。
constexpr unsigned fibonacci(unsigned i)
{switch (i) {case 0: return 0;break;case 1: return 1;break;default: return fibonacci(i - 1) + fibonacci(i - 2);break;}
}
常量模板
常量模板是变量模板的一种特别形式，常量模板的表示常量的类型是模板，但是常量的值是const属性。我们可以利用constexpr 实现常量模板。
template
constexpr T pi = T{3.1415926535897932385};
C++17
C++17对C++14标准增加了2个扩展：（一）将 constexpr 这个关键字引⼊到 if 语句；（二）将 constexpr 与Lambda Expression结合。
constexpr与if
C++17 基于C++14，将 constexpr 这个关键字引⼊到 if 语句，允许在代码中声明常量表达式的判断条件。我们称constexpr if这种结合方式叫静态if，静态if格式为：
if constexpr(cond)statement1; // Discarded if cond is false
elsestatement2; // Discarded if cond is true
基于静态if，获取变量数值的模板函数举例：
template
auto getValue(T t)
{if constexpr (std::is_pointer_v){return *t;}else{return t;}
}
constexpr与Lambda Expression
C++17标准允许lambda expression在编译期求值，但是constexpr lambda expression也准寻下述C++17标准：
- Lambda Expression捕获的参数必须是字面值类型（Literal Type）
int y = 32;auto answer = [y]() constexpr{int x = 10;return y + x;};constexpr int increment(int n){return [n] { return n + 1; }();}
- 如果 lambda 结果满足 constexpr 函数的要求，则 lambda 是隐式的 constexpr；
auto answer = [](int n){return 32 + n;};constexpr int response = answer(10);
- 如果 lambda 是隐式或显式的 constexpr，并且将其转换为函数指针，则生成的函数也是 constexpr：
auto increment = [](int n){return n + 1;};constexpr int(*inc)(int) = increment;
C++20
C++20标准兼容C++11,C++14,C++17标准，一方面对constexpr扩展；另一方面引入consteval和constinit解决constexpr存在的缺陷，使之臻于完美。
C++20标准的扩展。第一个是非类型模板参数的约束释放；第二个是编译时内存分配；第三个是编译时多态，即constexpr虚拟函数的引入；第四个constexpr允许try-catch。
虽然C++20增加了多项扩展，但是C++20 constexpr关键字依然存在两个缺陷，第一个缺陷是无法强制函数在编译器求值，第二个缺陷是无法解决编译时非常量求值问题。
非类型模板参数
C++20 之前，模板的非类型模板参数仅支持简单的数值类型，但是C++20对此做出了重大调整。
- 在简单数值类型的基础上，增加对float类型的支持。
template
constexpr int f() {...}template
constexpr float g() {...}
- 允许使用auto由编译期进行类型推导的非类型参数
template
struct ArgList
{
};ArgList<'C', 0, 2L, nullptr> argList;
- STL对非类型字符串模板参数的支持。 C++20 之前，你不能将字符串用作非类型的模板参数，那现在我们可以使用stl中的basic_fixed_string解决这个问题，例如：
template
class StringTemplate
{static constexpr char const* name = T;
public:void hello() const {return name;}
};int main()
{StringTemplate<"Hello!"> stringTemplate;stringTemplate.hello();
}
一个可保障非类型字符串模板参数正常工作的basic_fixed_string定义：
#include template
struct basic_fixed_string
{char m_str[N + 1]{};constexpr basic_fixed_string(char const* s){for (unsigned i = 0; i != N; ++i){m_str[i] = s[i];}}constexpr operator char const*() const{return m_str;}// C++20 三目运算符auto operator<=>(const basic_fixed_string&) const = default;
};// CTAD 自定义类模板推送指引 C++17 开始支持
template basic_fixed_string(char const (&)[N]) -> basic_fixed_string;template
class StringTemplate
{
public:auto hello() const { return name; }
};int main()
{basic_fixed_string fixedString("Hello!!!!");std::cout << fixedString << std::endl;StringTemplate<"Hello!"> foo;std::cout << foo.hello() << std::endl;
}
编译时内存分配
C++20编译时内存分配，constexpr函数可以进行有限制的动态内存分配和和使用std::vector/std::string。C++20之前只有std::array可以在编译期使用。当然这依然是有限制的使用：
- constexpr函数中不能使用std::unique_ptr / std::shared_ptr
- 动态内存的生命周期必须在constexpr函数的上下文中，即不能返回动态内存分配的指针
- 不能返回 std::vector / std::string 对象。
例如，constexpr helloWorld的定义就是C++20标准不允许的。：
constexpr auto helloWorld()
{std::string s1{"hello "};std::string s2{"world"};std::string s3 = s1 + s2;return s3;
}
但是仅函数内部使用 std::vector/std::string，new/delete，则这又是constexpr函数所允许的。举例如下：
// 例1：基于new/delete采用constexpr函数求和
constexpr int sum(int n)
{auto p = new int[n];std::iota(p, p + n, 1);auto t = std::accumulate(p, p + n, 0);delete[] p;return t;
}static_assert(sum(10) == 55);
// 例2：基于vector采用constexpr函数求和
constexpr int sum(int n)
{std::vector v(10);std::iota(v.begin(), v.end(), 1);auto t = std::accumulate(v.begin(), v.end(), 0);return t;
}static_assert(sum(10) == 55);
编译时多态
constexpr可以在编译时内存分配，那编译时多态有了应用条件。与此同时在编译期使用dynamic_cast和typeid也是可行的。
struct Box
{double width{0.0};double height{0.0};double length{0.0};
};struct Product
{constexpr virtual ~Product() = default;constexpr virtual Box getBox() const noexcept = 0;
};struct Notebook : public Product
{constexpr ~Notebook() noexcept {};constexpr Box getBox() const noexcept override{return {.width = 30.0, .height = 2.0, .length = 30.0};}
};struct Flower : public Product
{constexpr Box getBox() const noexcept override{return {.width = 10.0, .height = 20.0, .length = 10.0};}
};constexpr bool canFit(const Product &prod, const Box &minBox)
{const auto box = prod.getBox();return box.width < minBox.width && box.height < minBox.height && box.length < minBox.length;
}int main()
{constexpr Notebook nb;constexpr Box minBox{100.0, 100.0, 100.0};static_assert(canFit(nb, minBox));
}
允许try-catch
C++20 constexpr函数虽然允许try-catch，但是这依然是有限制的，开发者不能在函数中throw异常。
consteval
constexpr修饰函数仅表示支持在编译期求值（是否真的在编译期求值，不确定），但是在有些时候我们要求必须在编译期求值。这就是consteval引入的价值。consteval修饰函数，要求函数必须在编译期求值。
consteval int min(std::initializer_list array)
{int low = std::numeric_limits::max();for (auto& i : array){if (i < low){low = i;}}return low;
}static_assert(min({ 1, 2, 3 }) == 1);
constinit
constinit修饰变量，保证变量在编译期初始化。目标是为了解决 Static Initialization Order Fiasco文档，即相互影响的静态存储周期的变量之间，由于动态初始化的不确定性而导致的问题。
- constinit不能和consteval/constexpr同时使用
- constinit修饰引入对象，此时constinit与constexpr等价
- 只能使用constexpr或consteval函数初始化constinit变量
constexpr int sum(int n)
{auto p = new int[n];std::iota(p, p + n, 1);auto t = std::accumulate(p, p + n, 0);delete[] p;return t;
}consteval int min(std::initializer_list array)
{int low = std::numeric_limits::max();for (auto& i : array){if (i < low){low = i;}}return low;
}constinit auto g_min = min({ 1, 2 });
constinit auto g_sum = sum(2);int main()
{static_assert(min({ 1, 2, 3 }) == 1);return 0;
}