• A.4 常量表达式函数
    • A.4.1 常量表达式和自定义类型
    • A.4.2 常量表达式对象
    • A.4.3 常量表达式函数的要求
    • A.4.4 常量表达式和模板

    A.4 常量表达式函数

    整型字面值，例如42，就是常量表达式。所以，简单的数学表达式，例如，23x2-4。可以使用其来初始化const整型变量，然后将const整型变量作为新表达的一部分：

    1. const int i=23;
    2. const int two_i=i*2;
    3. const int four=4;
    4. const int forty_two=two_i-four;

    使用常量表达式创建变量也可用在其他常量表达式中，有些事只能用常量表达式去做：

    • 指定数组长度：
    1. int bounds=99;
    2. int array[bounds];  // 错误，bounds不是一个常量表达式
    3. const int bounds2=99;
    4. int array2[bounds2];  // 正确，bounds2是一个常量表达式
    • 指定非类型模板参数的值：
    1. template<unsigned size>
    2. struct test
    3. {};
    4. test<bounds> ia;  // 错误，bounds不是一个常量表达式
    5. test<bounds2> ia2;  // 正确，bounds2是一个常量表达式
    • 对类中static const整型成员变量进行初始化：
    1. class X
    2. {
    3.   static const int the_answer=forty_two;
    4. };
    • 对内置类型进行初始化或可用于静态初始化集合：
    1. struct my_aggregate
    2. {
    3.   int a;
    4.   int b;
    5. };
    6. static my_aggregate ma1={forty_two,123};  // 静态初始化
    7. int dummy=257;
    8. static my_aggregate ma2={dummy,dummy};  // 动态初始化
    • 静态初始化可以避免初始化顺序和条件变量的问题。

    这些都不是新添加的——你可以在1998版本的C++标准中找到对应上面实例的条款。不过，C++11标准中常量表达式进行了扩展，并添加了新的关键字——constexpr。C++14和C++17对constexpr做了进一步的扩展：其完整性超出了附录的介绍范围。

    constexpr会对功能进行修改，当参数和函数返回类型符合要求，并且实现很简单，那么这样的函数就能够被声明为constexpr，这样函数可以当做常数表达式来使用：

    1. constexpr int square(int x)
    2. {
    3.   return x*x;
    4. }
    5. int array[square(5)];

    在这个例子中，array有25个元素，因为square函数的声明为constexpr。当然，这种方式可以当做常数表达式来使用，不意味着什么情况下都是能够自动转换为常数表达式：

    1. int dummy=4;
    2. int array[square(dummy)];  // 错误，dummy不是常数表达式

    dummy不是常数表达式，所以square(dummy)也不是——就是一个普通函数调用——所以其不能用来指定array的长度。

    A.4.1 常量表达式和自定义类型

    目前为止的例子都是以内置int型展开的。不过，在新C++标准库中，对于满足字面类型要求的任何类型，都可以用常量表达式来表示。

    要想划分到字面类型中，需要满足一下几点：

    • 一般的拷贝构造函数。

    • 一般的析构函数。

    • 所有成员变量都是非静态的，且基类需要是一般类型。

    • 必须具有一个一般的默认构造函数，或一个constexpr构造函数。

    后面会了解一下constexpr构造函数。

    现在，先将注意力集中在默认构造函数上，就像下面清单中的CX类一样。

    清单A.3（一般)默认构造函数的类

    1. class CX
    2. {
    3. private:
    4.   int a;
    5.   int b;
    6. public:
    7.   CX() = default;  // 1
    8.   CX(int a_, int b_):  // 2
    9.     a(a_),b(b_)
    10.   {}
    11.   int get_a() const
    12.   {
    13.     return a;
    14.   }
    15.   int get_b() const
    16.   {
    17.     return b;
    18.   }
    19.   int foo() const
    20.   {
    21.     return a+b;
    22.   }
    23. };

    注意，这里显式的声明了默认构造函数①(见A.3节)，为了保存用户定义的构造函数②。因此，这种类型符合字面类型的要求，可以将其用在常量表达式中。

    可以提供一个constexpr函数来创建一个实例，例如：

    1. constexpr CX create_cx()
    2. {
    3.   return CX();
    4. }

    也可以创建一个简单的constexpr函数来拷贝参数：

    1. constexpr CX clone(CX val)
    2. {
    3.   return val;
    4. }

    不过，constexpr函数只有其他constexpr函数可以进行调用。在C++14中，这个限制被解除，并且只要不修改任何非局部范围的对象，就可以在constexpr函数中完成所有的操作。在C++11中，CX类中声明成员函数和构造函数为constexpr：

    1. class CX
    2. {
    3. private:
    4.   int a;
    5.   int b;
    6. public:
    7.   CX() = default;
    8.   constexpr CX(int a_, int b_):
    9.     a(a_),b(b_)
    10.   {}
    11.   constexpr int get_a() const  // 1
    12.   {
    13.     return a;
    14.   }
    15.   constexpr int get_b()  // 2
    16.   {
    17.     return b;
    18.   }
    19.   constexpr int foo()
    20.   {
    21.     return a+b;
    22.   }
    23. };

    C++11中，const对于get_a()①来说就是多余的，因为在使用constexpr时就为const了，所以const描述符在这里会被忽略②。C++14中，这会发生变化(由于constexpr 函数的扩展能力)，因此get_b()无需再为隐式的const。

    这就允许更多复杂的constexpr函数存在：

    1. constexpr CX make_cx(int a)
    2. {
    3.   return CX(a,1);
    4. }
    5. constexpr CX half_double(CX old)
    6. {
    7.   return CX(old.get_a()/2,old.get_b()*2);
    8. }
    9. constexpr int foo_squared(CX val)
    10. {
    11.   return square(val.foo());
    12. }
    13. int array[foo_squared(half_double(make_cx(10)))];  // 49个元素

    函数都很有趣，如果想要计算数组的长度或一个整型常量，就需要使用这种方式。最大的好处是常量表达式和constexpr函数会设计到用户定义类型的对象，可以使用这些函数对这些对象进行初始化。因为常量表达式的初始化过程是静态初始化，所以就能避免条件竞争和初始化顺序的问题：

    1. CX si=half_double(CX(42,19));  // 静态初始化

    当构造函数被声明为constexpr，且构造函数参数是常量表达式时，那么初始化过程就是常数初始化(可能作为静态初始化的一部分)。随着并发的发展，C++11标准中有一个重要的改变：允许用户定义构造函数进行静态初始化，就可以在初始化的时候避免条件竞争，因为静态过程能保证初始化过程在代码运行前进行。

    特别是关于std::mutex(见3.2.1节)或std::atomic<>(见5.2.6节)，当想要使用一个全局实例来同步其他变量的访问时，同步访问就能避免条件竞争的发生。构造函数中，互斥量不可能产生条件竞争，因此对于std::mutex的默认构造函数应该被声明为constexpr，为了保证互斥量初始化过程是一个静态初始化过程的一部分。

    A.4.2 常量表达式对象

    目前，已经了解了constexpr在函数上的应用。constexpr也可以用在对象上，主要是用来做判断的；验证对象是否是使用常量表达式，constexpr构造函数或组合常量表达式进行初始化。

    且这个对象需要声明为const：

    1. constexpr int i=45;  // ok
    2. constexpr std::string s(“hello”);  // 错误，std::string不是字面类型
    4. int foo();
    5. constexpr int j=foo();  // 错误，foo()没有声明为constexpr

    A.4.3 常量表达式函数的要求

    将一个函数声明为constexpr，也是有几点要求的；当不满足这些要求，constexpr声明将会报编译错误。C++11中，对constexpr函数的要求如下：

    • 所有参数都必须是字面类型。

    • 返回类型必须是字面类型。

    • 函数体内必须有一个return。

    • return的表达式需要满足常量表达式的要求。

    • 构造返回值/表达式的任何构造函数或转换操作，都需要是constexpr。

    看起来很简单，要在内联函数中使用到常量表达式，返回的还是个常量表达式，还不能对任何东西进行改动。constexpr函数就是无害的纯洁函数。

    C++14中，要求减少了。尽管保留了无副作用纯功能概念，但允许包含更多：

    • 允许使用多个return语句。
    • 可以修改在函数中创建的对象。
    • 允许使用循环、条件和switch语句。

    constexpr类成员函数，需要追加几点要求：

    • constexpr成员函数不能是虚函数。

    • 对应类必须有字面类的成员。

    constexpr构造函数的规则也有些不同：

    • 构造函数体必须为空。

    • 每一个基类必须可初始化。

    • 每个非静态数据成员都需要初始化。

    • 初始化列表的任何表达式，必须是常量表达式。

    • 构造函数可选择要进行初始化的数据成员，并且基类必须有constexpr构造函数。

    • 任何用于构建数据成员的构造函数和转换操作，以及和初始化表达式相关的基类必须为constexpr。

    这些条件同样适用于成员函数，除非函数没有返回值，也就没有return语句。另外，构造函数对初始化列表中的所有基类和数据成员进行初始化。一般的拷贝构造函数会隐式的声明为constexpr。

    A.4.4 常量表达式和模板

    将constexpr应用于函数模板，或一个类模板的成员函数；根据参数，如果模板的返回类型不是字面类，编译器会忽略其常量表达式的声明。当模板参数类型合适，且为一般inline函数，就可以将类型写成constexpr类型的函数模板。

    1. template<typename T>
    2. constexpr T sum(T a,T b)
    3. {
    4.   return a+b;
    5. }
    6. constexpr int i=sum(3,42);  // ok，sum<int>是constexpr
    7. std::string s=
    8.   sum(std::string("hello"),
    9.       std::string(" world"));  // 也行，不过sum<std::string>就不是constexpr了

    函数需要满足所有constexpr函数所需的条件。不能用多个constexpr来声明一个函数，因为其是一个模板；这样也会带来一些编译错误。