C++（十七）：constexpr 函数

`constexpr` 函数

在 C++ 中，constexpr 是一个关键字，用于声明一个函数，该函数可以在编译时（compile time）进行求值。这意味着，如果 constexpr 函数的参数在编译时是已知的值，那么编译器就可以直接计算出函数的结果，并将结果嵌入到最终的可执行代码中，而不是在程序运行时再进行计算。

你可以把 constexpr 函数想象成一个超级机智的厨师，如果提前知道你需要多少食材，他就能在你真正开始做饭之前就把它们准备好，这样你就不用在做饭的时候再花时间去切菜或者量米了。

constexpr 函数的主要目的是：

提高性能：通过在编译时进行计算，可以减少程序运行时的计算量，从而提高程序的执行速度。
用于常量表达式：constexpr 函数的结果可以用在需要常量表达式的上下文中，例如定义数组的大小、作为模板参数、或者初始化 constexpr 变量。
进行编译时检查：如果 constexpr 函数的参数在编译时不是常量表达式，编译器可能会发出警告或错误。

constexpr 函数的语法：

声明一个 constexpr 函数与声明普通函数类似，只需要在函数返回类型前面加上 constexpr 关键字。

constexpr 返回类型 函数名(参数列表) {
    // 函数体
}

constexpr 函数的要求和限制：

为了能够在编译时进行求值，constexpr 函数需要满足一些限制：

函数体限制：
- 在 C++11 和 C++14 中，constexpr 函数的函数体必须超级简单，一般只能包含单一的 return 语句（除了 typedef、using 声明和静态断言 static_assert）。
- 从 C++14 开始，constexpr 函数的限制被放宽，可以包含更复杂的语句，例如循环、条件判断、局部变量等，但这些语句不能有副作用（例如修改全局变量或调用非 constexpr 函数）。
只能调用其他 constexpr 函数或特定的内置函数：constexpr 函数内部调用的任何函数也必须是 constexpr 函数，或者是一些特定的可以在常量表达式中使用的内置函数。
不能有副作用：constexpr 函数不能修改全局变量或具有任何其他的副作用。它们的主要目的是计算并返回值。
参数和返回类型必须是字面值类型（Literal Types）：字面值类型包括算术类型（int、float 等）、void、指针类型、引用类型以及某些用户自定义类型（如果它们的构造函数和析构函数满足特定条件）。

constexpr 函数的求值时机：

一个 constexpr 函数可以在编译时求值，也可以在运行时求值。

编译时求值：如果调用 constexpr 函数时，传递给它的参数是常量表达式（例如字面量、const 变量、其他 constexpr 函数的调用结果），那么编译器会在编译时计算出结果。
运行时求值：如果调用 constexpr 函数时，传递给它的参数不是常量表达式（例如运行时才能确定的变量），那么函数将像普通的内联函数一样在运行时被调用。

constexpr 函数的优点：

性能提升：对于在编译时就能确定的计算，避免了运行时的开销。
可以用在常量表达式中：这是 constexpr 最重大的用途之一，允许在需要常量表达式的地方使用函数调用的结果。
编译时检查：如果 constexpr 函数被期望在编译时求值，但由于参数不是常量表达式而无法做到，编译器可能会给出警告或错误。

constexpr 函数的例子：

#include <iostream>
#include <array>

// C++11 版本的 constexpr 函数，只能包含一个 return 语句
constexpr int power(int base, int exp) {
    return (exp == 0) ? 1 : base * power(base, exp - 1);
}

// C++14 版本的 constexpr 函数，可以包含更复杂的逻辑
constexpr int factorial(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

int main() {
    // 在编译时求值：
    constexpr int compileTimePower = power(2, 5);
    std::cout << "编译时计算的 2 的 5 次方: " << compileTimePower << std::endl;

    // 可以在需要常量表达式的地方使用：
    std::array<int, power(3, 2)> myArray; // 数组大小在编译时确定

    // 在运行时求值（如果参数不是常量表达式）：
    int runtimeBase = 3;
    int runtimeExp = 4;
    int runtimePower = power(runtimeBase, runtimeExp);
    std::cout << "运行时计算的 3 的 4 次方: " << runtimePower << std::endl;

    constexpr int compileTimeFactorial = factorial(5);
    std::cout << "编译时计算的 5 的阶乘: " << compileTimeFactorial << std::endl;

    return 0;
}

与 const 和 inline 的区别：

const: 用于声明常量变量，表明变量的值在初始化后不能被修改。
inline: 是一个函数提示符，提议编译器将函数体直接插入到调用的地方以减少函数调用的开销，但这只是一个提议，编译器可能会忽略。inline 函数依旧是在运行时进行求值的。
constexpr: 用于声明函数或变量，表明其值可以在编译时确定。constexpr 函数可以在编译时或运行时求值，而 constexpr 变量的值必须在编译时确定。

constexpr 函数是 C++ 中一个强劲的特性，它允许函数在编译时进行求值，从而提高性能并支持在需要常量表达式的场景中使用。constexpr 函数需要满足一些限制，例如函数体只能包含特定的语句，并且只能调用其他 constexpr 函数或特定的内置函数。一个 constexpr 函数既可以在编译时求值（如果参数是常量表达式），也可以在运行时求值（如果参数不是常量表达式）。

想象一下，你正在做数学题。

constexpr 函数就像是一个超级机智的计算器，它可以在你真正需要答案之前就把一些题目提前算好。
例子：
- 老师问你：“2 乘以 5 等于多少？” 你很快就能回答是 10。这个就像电脑在编译时就能算出来。
- 如果老师问你：“如果今天来了 10 个小朋友，每人发 3 颗糖，一共需要多少颗糖？” 你也能很快算出来是 30。
constexpr 函数就是告知电脑：“嘿，如果我知道你需要哪些数字，我就能提前把答案算好，这样你真正运行程序的时候就更快了！”

我们可以画一个场景：

[电脑] --> [机智的计算器 (在电脑里面)] --> [答案]

画一台电脑，电脑里面有一个特别机智的计算器。
告知小朋友，这个机智的计算器可以在电脑真正开始工作之前，提前计算一些简单的数学题。

目前，我们用更接近代码的语言，但依旧保持简单的方式来解释：

constexpr int multiplyByTwo(int number) { return number * 2; } -> “告知电脑，这是一个叫做 ‘multiplyByTwo’ 的小工具。如果你给它一个数字，它会帮你把这个数字乘以 2。而且，如果它一开始就知道这个数字是多少，它就能提前算出答案。”
- constexpr -> “表明这是一个很机智的工具，可以提前计算”
- int -> “表明这个工具会给你一个整数（数字）作为答案”
- multiplyByTwo -> “这是这个工具的名字”
- (int number) -> “你需要给这个工具一个整数作为输入，我们叫它 ‘number’ ”
- { return number * 2; } -> “这是这个工具的工作方式：把输入的数字乘以 2，然后告知你结果”
如果我们在写程序的时候就告知电脑一个固定的数字，列如 constexpr int result = multiplyByTwo(5);，那么电脑在真正运行程序之前就能算出 result 是 10。
但是，如果我们在程序运行的时候才给 multiplyByTwo 一个数字（列如从用户那里输入），那么电脑就只能在程序运行的时候再计算答案了。