c++ constexpr关键字_c++编译期常量优化

constexpr函数仅在需常量表达式时编译期求值，否则退化为运行时调用；其体内容纳操作受限，变量初始化须为常量表达式且类型为字面量类型，不可与const混用。

constexpr 函数必须满足“编译期可求值”约束

不是所有带 constexpr 的函数都能在编译期运行。编译器只在上下文明确要求常量表达式（比如数组长度、模板非类型参数、static_assert 条件）时，才尝试对 constexpr 函数做编译期求值。否则它可能退化为普通函数，在运行时调用。

常见错误是误以为加了 constexpr 就自动“优化掉了”，结果发现生成的汇编里仍有函数调用指令。根本原因是函数体用了不被允许的操作：比如堆分配、虚函数调用、std::vector、dynamic_cast，甚至未初始化的局部变量读取——这些都会让函数失去 constexpr 资格（C++14 起放宽了部分限制，但仍禁止 I/O 和全局状态修改）。

• 检查是否触发了 constexpr 求值：用 static_assert(func(5) == 25, "")；若报错，说明该调用无法在编译期完成
• C++17 起支持 if constexpr，可在编译期分支中安全使用 constexpr 表达式，但分支条件本身必须是常量表达式
• 避免在 constexpr 函数中调用非 constexpr 标准库函数（如 std::sqrt 在 C++20 前不是 constexpr）

constexpr 变量必须用常量表达式初始化

constexpr 变量本质是“命名的编译期常量”，不是“带编译期检查的 const 变量”。它要求初始化器必须是常量表达式，且类型需支持字面量类型（literal type）：有平凡析构、所有构造函数和赋值操作符都是 constexpr，且成员也满足同样要求。

典型陷阱是把 constexpr 和 const 混用。例如：

const int x = 42;  
constexpr int y = x; // ❌ 编译失败：x 不是常量表达式（虽值不变，但未标记 constexpr）

constexpr int x = 42;  
constexpr int y = x; // ✅

• 类类型要支持 constexpr 构造，必须显式声明构造函数为 constexpr，且函数体为空或仅含常量表达式计算
• constexpr 数组大小必须是常量表达式，int arr[func()] 中 func() 必须是 constexpr 且实际在编译期被求值
• 注意链接性：constexpr 全局变量默认是 inline（C++17 起），无需额外加 inline 或 extern

constexpr 与模板元编程的协作边界

constexpr 并不能替代所有模板元编程（TMP）。它擅长数值计算、字符串字面量处理（C++20）、简单数据结构构建（如 std::array 初始化），但遇到类型推导、SFINAE、偏特化等需求时，仍需传统 TMP。

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例如，想根据整型值生成不同类型的容器，仅靠 constexpr 无法做到：

template  
using container_t = std::conditional_t<(N > 10), std::vector, std::array>;

• constexpr 函数可用于生成模板实参（如 std::array），前提是 compute_size() 真正在编译期求值
• C++20 引入 consteval，强制函数只能在编译期调用，适合封装纯编译期逻辑，避免意外运行时降级
• 过度依赖 constexpr 实现复杂逻辑（如编译期 JSON 解析）会导致编译时间飙升，需权衡可维护性与构建性能

编译期优化效果取决于上下文和标准版本

同一个 constexpr 函数，在不同场景下是否真正消除运行时开销，要看调用点是否构成常量表达式，以及编译器是否启用对应 C++ 标准支持。GCC/Clang 对 C++20 constexpr 字符串和容器的支持仍有限，MSVC 更早落地部分特性。

例如，C++20 允许 constexpr std::string_view 和 std::array 成员函数，但若用 GCC 11 编译，sv.substr(0, 3) 在编译期可能仍不被接受，导致代码无法通过 —— 这不是写法错，而是工具链能力边界。

• 用 -std=c++20（而非 c++17）才能启用多数现代 constexpr 扩展
• 开启 -O2 或更高优化等级有助于编译器识别并内联 constexpr 函数，但不会改变其是否能在编译期求值的本质
• 调试时（-O0）某些 constexpr 调用可能被迫转为运行时执行，别把它当成“优化开关”，它是语义约束