现代C++新特性——constexpr

在计算机科学中，字面量（literal）是在源代码中的 value 的文本表示。字面量和变量、常量是同一个级别的概念，常被用于初始化变量。字面量是编译期常量，效率极高。

常量表达式（const expression）是指值不会改变并且在编译过程就能得到计算结果的表达式。显然字面量属于常量表达式，用常量表达式初始化的const 对象也是常量表达式。——C++ primer 5th（中文）59页。

从上面的的这些概念来看常量表达式的出现将一些计算放在编译期进行，从而提高了程序的运行效率。虽然常量表达式可以提高运行时效率，但是在复杂系统中，很难分辨一个表达式到底是不是常量表达式。

constexpr

C++ 11 引入了一个新词 constexpr，其可以用于修饰 对象 和 函数，所产生的效果是不同的。当修饰的是对象时，它的作用就是加强版的 const；当修饰的是函数时，这样的函数在传入编译器常量时，产出编译器常量，在传入运气期值时，产出运行期值。

constexpr 修饰对象

constexpr 修饰对象时的demo：

int sz; // 非 constexpr 变量
constexpr int arraySize1 = sz; // 非 constexpr 变量，sz在编译期未知
constexpr int arraySize2 = 10; // constexpr 变量，10是编译期常量

当 constexpr 修饰对象时，其值需要在编译期就得到计算，称这样的值的类型为字面类型（literal type）。constexpr 对象因为是编译期常量因此也会产生 const 修饰对象所产生的同样的效果（constexpr 对象都是 const 对象，并非所以 const 对象都是 constexpr 对象）。在 C++11 中，所有除了 void 的内建类型都是字面类型。但是用户自定义型别同样可能也是字面类型（只要声明它的构造函数是 constexpr 就行）。
看下面这个 Point 类就是字面类型：

class Point{
public:
	constexpr Point(double xVal = 0, double yVal = 0) noexcept
	:x(xVal), y(yVal)
	{}
	constexpr double xValue() const noexcept{return x;}
	constexpr double yValue() const noexcept{return y;}
	void setX(double newX) noexcept{x = newX;}
	void setY(double newY) noexcept{y = newY;}
private:
	double x,y;
}

因此就能用 constexpr 修饰用户自定义类型了：

constexpr Point p1(9.4, 27.7);
constexpr Point p2(28.8, 5.3);

constexpr 修饰函数

• constexpr 函数可以用在要求编译期常量的语境中。在这样的语境中，传入给 constexpr 函数的实参必须都是 constexpr 修饰的变量。
• 在调用 constexpr 函数时，若传入的参数任何一个或多个在编译期未知，则它的运行方式和普通函数无异。
  看下面的一个小 demo：

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



int main()
{
    constexpr Point p1(9.4, 27.7);
    constexpr Point p2(28.8, 5.3);
    Point p3{21, 23};

    constexpr Point res1 = midpoint(p1, p2);     // 正确
    constexpr Point res2 = midpoint(p1, p3); // 编译错误
    Point res3 = midpoint(p1, p3);           // 正确
    

    return 0;
}

midpoint 函数就是 constexpr 修饰的函数，当传入的都是编译期常量p1和p2时，midpoint 就会在编译期进行计算且产出 constexpr 修饰的对象；当传入的有一个是非编译期对象 p3 时，midpoint 只会在运行期进行计算，产出非编译期对象 res3。

值得注意的是在 C++ 11 中 constexpr 修饰的成员函数（非全局函数）都隐式得被声明为 const（即该函数不能修改其操作对象的属性。）且它们的返回类型不能是 void。在 C++14 中解除了这两个限制，就连上面类中的成员函数 setX 和 setY 也能声明为 constexpr。

参考

1. C++中的编译器常量和模板元编程
2. C++ primer 5th（中文版）
3. Effective Modern C++（中文版）