C++11 constexpr使用详解

C++11为了提高代码执行效率做了一些改善。这种改善之一就是:生成常量表达式，允许程序利用编译时的计算能力。假如你熟悉模板元编程，你将发现constexpr使这一切变得更加简单。constexpr使我们很容易利用上编译时编程的优势。

常量表达式主要是允许一些计算发生在编译时，即发生在代码编译而不是运行的时候。这是很大的优化：假如有些事情可以在编译时做，它将只做一次，而不是每次程序运行时。需要计算一个编译时已知的常量，比如特定值的sine或cosin？确实你亦可以使用库函数sin或cos，但那样你必须花费运行时的开销。使用constexpr，你可以创建一个编译时的函数，它将为你计算出你需要的数值，用户的电脑将不需要做这些工作。

1.constexpr初探

为了使函数获取编译时计算的能力，你必须指定constexpr关键字到这个函数。

constexpr int multiply (int x, int y)
{
    return x * y;
}

// 将在编译时计算
const int val = multiply( 10, 10 );

除了编译时计算的性能优化，constexpr的另外一个优势是，它允许函数被应用在以前调用宏的所有场合。

例如，你想要一个计算数组size的函数，size是10的倍数。如果不用constexpr，你需要创建一个宏或者使用模板，因为你不能用函数的返回值去声明数组的大小。但是用constexpr，你就可以调用一个constexpr函数去声明一个数组。

constexpr int getDefaultArraySize (int multiplier)
{
    return 10 * multiplier;
}

int my_array[ getDefaultArraySize( 3 ) ];
int a = 4;　　//非常量表达式
getDefaultArraySize(a);　　//ok

constexpr修饰的函数，简单的来说，如果其传入的参数可以在编译时期计算出来，那么这个函数就会产生编译时期的值。但是，传入的参数如果不能在编译时期计算出来，那么constexpr修饰的函数就和普通函数一样了。不过，我们不必因此而写两个版本，所以如果函数体适用于constexpr函数的条件，可以尽量加上constexpr。

2.constexpr修饰函数的限制

一个constexpr有一些必须遵循的严格要求：

• 函数中只能有一个return语句(但允许包含typedefs、 using declaration && directives、静态断言等)
• 只能调用其它constexpr函数
• 只能使用全局constexpr变量

注意递归并不受限制,但只允许一个返回语句，那如何实现递归呢？可以使用三元运算符（?:)。例如，计算n的阶乘：

constexpr int factorial (int n) {
    return n > 0 ? n * factorial( n - 1 ) : 1;
}

现在你可以使用factorial(2)，编译器将在编译时计算这个值，这种方式运行更巧妙的计算，与内联截然不同。你无法内联一个递归函数。

3.使用编译时对象

constexpr修饰类的构造函数，即保证如果提供给该构造函数的参数都是constexpr，那么产生的对象中的所有成员都会是constexpr，该对象也就是constexpr对象了，可用于各种只能使用constexpr的场合。注意，constexpr构造函数必须有一个空的函数体，即所有成员变量的初始化都放到初始化列表中。
假如你有一个Circle类:

class Circle
{
    public:
    constexpr Circle (int x, int y, int radius) : _x( x ), _y( y ), _radius( radius ) {}
    constexpr double getArea () {
        return _radius * _radius * 3.1415926;
    }
private:
    int _x;
    int _y;
    int _radius;
};

将构造函数和getArea声明为constexpr，这样在编译期间，便能构造一个对象并能调用getArea函数获得area：

constexpr Circle c( 0, 0, 10 );
constexpr double area = c.getArea();

4.constexpr vs const的区别

假如你将一个成员函数标记为constexpr，则顺带也将它标记为了const。如果你将一个变量标记为constexpr，则同样它是const的。但相反并不成立，一个const的变量或函数，并不是constexpr的。

语义上:

constexpr:告诉编译器我可以是编译期间可知的，尽情的优化我吧。

const:告诉程序员没人动得了我，放心的把我传出去；或者放心的把变量交给我，我啥也不动就瞅瞅。

语法上:

constexpr是一种比const 更严格的束缚, 它修饰的表达式本身在编译期间可知, 并且编译器会尽可能的 evaluate at compile time. 在constexpr 出现之前, 可以在编译期初始化的const都是implicit constexpr. 直到c++ 11, constexpr才从const中细分出来成为一个关键字, 而 const从1983年 c++ 刚改名的时候就存在了... 如果你初学c++, 应当尽可能的, 合理的使用constexpr来帮助编译器优化代码。