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前言
C++20常量表达式(Constexpr)，顾名思义：函数或者变量在编译期间，而不是运行期间就可以计算出来的结果视为常量，这种过程叫做常量表达式的计算。常量表达式在这期间起到了至关重要的作用，C++20对Constexpr进行了显著的增强，进一步扩宽了编译时求值的能力，使得编译期计算更加灵活和强大。本篇看下。
Constexpr
函数在编译期间就可以计算出其结果，constexpr 修饰，表示它可以在编译时计算。其形态如下：
constexpr 返回类型 函数名(参数列表) {// 函数体}
例子：
constexpr int square(int x) {return x * x;}int main() {constexpr int result = square(5); // 在编译时计算// 此时 result 的值是 25，编译器在编译时就完成了计算}
C++11只支持了简单的计算以及部分特性，C++20如下介绍：
1.支持容器的颗粒化操作
这些颗粒化包括，编译期间的优化，编译期间的数据长度固定，编译期间的计算以及编译期间的各种操作，例子如下：
#include <iostream>#include <array>constexpr int square(int x) {return x * x;}constexpr int sum_of_squares(const std::array<int, 5>& arr) {int sum = 0;for (size_t i = 0; i < arr.size(); ++i) {sum += square(arr[i]);}return sum;}int main() {constexpr std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};constexpr int result = sum_of_squares(arr); // 在编译时计算std::cout << "Sum of squares: " << result << std::endl;}
求数组元素的平方和结果，通过容器std::aary来存储。编译期间sum_of_squares/square函数就已经被计算出来了，且sum_of_squares传入的参数固定长度为5，sum_of_squares/square的操作分别是计算单个元素的平方和计算平方的和，且返回。
这里里面的优化是，因为sum_of_squares/square函数被标记为constexpr，所以编译期间直接计算出了结果。运行期间不需要任何运算，只需要把这个结果带入到后续的操作即可。
2.静态断言和constexpr结合操作，限制编译条件
例子，
//filename:hello.cconstexpr int max_value = 100;static_assert(max_value <= 100, "max_value must be less than or equal to 100");int main() {// 如果 max_value 大于 100，这里会引发编译错误return 0;}
如果max_value=101的话，会报以下错误。只要小于100都会正常运行：
# g++ -std=c++20 -o hello hello.chello.c:3:25: error: static assertion failed: max_value must be less than or equal to 1003 | static_assert(max_value <= 100, "max_value must be less than or equal to 100");| ~~~~~~~~~~^~~~~~hello.c:3:25: note: the comparison reduces to ‘(101 <= 100)’
3.constexpr支持内存分配和释放
也就是是说，在编译期间，可以动态的分配和释放内存，这也是constexpr的神奇地方。
#include <iostream>struct MyStruct {int x, y;MyStruct(int a, int b) : x(a), y(b) {}};constexpr MyStruct* create_struct(int a, int b) {return new MyStruct(a, b);}int main() {constexpr MyStruct* ptr = create_struct(10, 20);std::cout << ptr->x << ", " << ptr->y << std::endl;// 不可以在 runtime 执行 constexpr 函数的动态分配// 所以这段代码会在编译时报错。}
4.constexpr支持其它更多操作，比如递归
#include <iostream>#include <stdexcept>constexpr int factorial(int n) {if (n < 0) {throw std::invalid_argument("Negative value is not allowed");}return n == 0 ? 1 : n * factorial(n - 1);}int main() {constexpr int result = factorial(5); // 编译时计算阶乘static_assert(result == 120, "Compile-time factorial failed!");std::cout << "Sum of squares: " << result << std::endl;}
5.支持动态内存分配
比如，std:array，std::string，std::vector在编译期间使用动态内存和动态容器。
#include <vector>#include <iostream>constexpr int sum(const std::vector<int>& v) {int total = 0;for (int n : v)total += n;return total;}int main() {constexpr std::vector<int> v = {1, 2, 3};constexpr int result = sum(v); // 在编译时计算结果static_assert(result == 6, "Compile-time sum failed!");}
结尾
以上介绍了constexpr增强的地方，比如颗粒化操作，限制编译条件，内存分配释放，递归以及动态内存等等。这些东西，都可以在编译期间确定，显著的增强C++的性能。
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