C++14 改进的constexpr

C++14改进的constexpr

介绍

constexpr 是C++11引入的关键字，用于指定表达式或函数可以在编译时求值。C++14对constexpr进行了多项改进，使其更灵活、更强大，允许更复杂的编译时计算。这些改进包括放宽对constexpr函数的限制，使其能包含更多语句和控制流结构，从而让开发者编写更自然的代码，同时仍保证编译时求值的能力。

在C++14之前，constexpr函数只能包含一个return语句，且不能有循环或局部变量。C++14移除了这些限制，使得constexpr函数可以像普通函数一样编写，只要它们满足编译时求值的要求。

C++14的改进

C++14对constexpr的主要改进包括：

• 允许在constexpr函数中使用局部变量（非static、非thread_local）。
• 允许在constexpr函数中使用控制流语句（如if、switch、for、while、do-while）。
• 允许在constexpr函数中修改局部变量。
• 允许constexpr函数返回void类型。

这些改进使得constexpr函数更加灵活，能够处理更复杂的编译时计算场景。

代码示例

以下是一个简单的例子，展示C++14中constexpr函数的改进：

#include <iostream>

// C++14允许constexpr函数包含循环和局部变量
constexpr int factorial(int n) {
    int result = 1; // 允许局部变量
    for (int i = 1; i <= n; ++i) { // 允许循环
        result *= i;
    }
    return result;
}

int main() {
    constexpr int value = factorial(5); // 编译时计算
    std::cout << "5! = " << value << std::endl; // 输出: 5! = 120
    return 0;
}

输出：

5! = 120

解释：

• 在C++14中，`factorial`函数可以包含局部变量`result`和循环结构，这在C++11中是不允许的。
• `constexpr int value = factorial(5);` 在编译时计算，结果直接嵌入到程序中。

实际应用场景

constexpr在以下场景中非常有用：

• 编译时计算：如数学运算、查找表生成等。
• 模板元编程：结合constexpr可以简化复杂的模板代码。
• 嵌入式开发：确保某些计算在编译时完成，减少运行时开销。

示例：编译时字符串处理

C++14允许constexpr函数处理更复杂的逻辑，例如字符串操作：

#include <iostream>
#include <array>

// 编译时计算字符串长度
constexpr size_t stringLength(const char* str) {
    size_t length = 0;
    while (str[length] != '\0') {
        ++length;
    }
    return length;
}

// 编译时字符串拼接（简化版）
constexpr auto concatenate(const char* a, const char* b) {
    std::array<char, stringLength(a) + stringLength(b) + 1> result{};
    size_t index = 0;
    for (; a[index] != '\0'; ++index) {
        result[index] = a[index];
    }
    for (size_t i = 0; b[i] != '\0'; ++i) {
        result[index + i] = b[i];
    }
    result[index + stringLength(b)] = '\0';
    return result;
}

int main() {
    constexpr auto hello = "Hello, ";
    constexpr auto world = "World!";
    constexpr auto greeting = concatenate(hello, world); // 编译时拼接
    std::cout << greeting.data() << std::endl; // 输出: Hello, World!
    return 0;
}

输出：

Hello, World!

解释：

• `stringLength` 和 `concatenate` 都是constexpr函数，在编译时计算字符串长度和拼接。
• `std::array` 用于存储结果，因为C++14不允许constexpr函数返回动态分配的数组。

与C++11的对比

以下表格总结了C++14对constexpr的改进：

特性	C++11	C++14
局部变量	不允许	允许
循环和分支	不允许	允许
修改局部变量	不允许	允许
返回void	不允许	允许

总结

C++14对constexpr的改进使其成为更强大的工具，能够处理更复杂的编译时计算任务。开发者可以编写更自然的代码，同时仍享受编译时优化的好处。这些改进在现代C++编程中非常有用，特别是在模板元编程、嵌入式开发和性能关键场景中。

进一步阅读

• C++14标准文档（ISO/IEC 14882:2014）
• C++ Core Guidelines关于constexpr的建议