C++编译时编程[编辑 | 编辑源代码]

C++编译时编程（Compile-Time Programming）是C++语言中一种强大的元编程技术，它允许程序在编译阶段执行计算、生成代码或进行类型操作，而非运行时。这种技术主要通过模板元编程（Template Metaprogramming, TMP）、`constexpr`函数和C++20引入的`consteval`等机制实现，能够显著提升程序性能并增强类型安全性。

核心概念[编辑 | 编辑源代码]

编译时编程的核心思想是**将计算从运行时转移到编译时**，从而减少运行时开销并实现更高效的代码生成。以下是关键组成部分：

1. 模板元编程：利用C++模板系统在编译时生成代码或执行计算。 2. `constexpr`上下文：C++11引入的常量表达式求值机制。 3. `consteval`函数（C++20）：强制函数必须在编译时求值。 4. `if constexpr`（C++17）：编译时条件分支。

为什么需要编译时编程？[编辑 | 编辑源代码]

性能优化：计算结果在编译时确定，运行时零开销
类型安全：编译时即可捕获类型错误
代码生成：根据模板参数自动生成特化代码

模板元编程基础[编辑 | 编辑源代码]

模板元编程是最早的C++编译时编程技术，通过模板特化和递归实例化实现图灵完备的计算能力。

// 编译时计算阶乘的模板元编程示例
template <unsigned n>
struct Factorial {
    static constexpr unsigned value = n * Factorial<n-1>::value;
};

// 基础案例特化
template <>
struct Factorial<0> {
    static constexpr unsigned value = 1;
};

int main() {
    static_assert(Factorial<5>::value == 120, "编译时计算错误");
}

输出：编译通过（无输出），因为计算完全在编译时完成。

constexpr 编程[编辑 | 编辑源代码]

C++11引入的`constexpr`关键字标志着编译时编程的现代化改进，允许更直观的函数式编程风格。

基本用法[编辑 | 编辑源代码]

constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    constexpr int val = factorial(5); // 编译时计算
    static_assert(val == 120, "错误结果");
    int runtime_val = factorial(5);  // 也可运行时调用
}

C++14/17/20增强[编辑 | 编辑源代码]

C++14：放松`constexpr`函数限制，允许局部变量和循环
C++17：`if constexpr`实现编译时条件分支
C++20：`consteval`强制编译时求值，`constinit`保证常量初始化

实际应用案例[编辑 | 编辑源代码]

类型安全的单位系统[编辑 | 编辑源代码]

编译时计算可创建物理量单位系统，防止单位不匹配的错误：

template <typename T, typename U>
auto add(T a, U b) -> std::enable_if_t<std::is_same_v<T,U>, T> {
    return a + b;
}

struct Meter {};
struct Second {};

int main() {
    Meter m1{5}, m2{10};
    Second s{1};
    auto m3 = add(m1, m2);  // 正确
    // auto err = add(m1, s); // 编译错误：类型不匹配
}

编译时字符串处理[编辑 | 编辑源代码]

C++17后可在编译时操作字符串：

constexpr size_t string_length(const char* str) {
    size_t len = 0;
    while (str[len] != '\0') ++len;
    return len;
}

int main() {
    static_assert(string_length("Hello") == 5, "");
}

高级主题[编辑 | 编辑源代码]

变参模板与折叠表达式[编辑 | 编辑源代码]

C++17折叠表达式简化了参数包处理：

template <typename... Ts>
constexpr auto sum(Ts... args) {
    return (args + ...); // 折叠表达式
}

static_assert(sum(1, 2, 3, 4) == 10, "");

编译时容器（C++20）[编辑 | 编辑源代码]

使用`std::array`和`constexpr`算法：

constexpr auto create_array() {
    std::array<int, 5> arr{};
    for (size_t i=0; i<arr.size(); ++i) {
        arr[i] = i*i;
    }
    return arr;
}

constexpr auto squares = create_array();
static_assert(squares[3] == 9, "");