constexpt

constexpt是C++11引入的新的關鍵字，它用于在編譯時而非運行時計算函數或變量的值。這個特性對于提高程序效率和優化代非常有用。

編譯時常量和運行時常量

編譯時常量（Compile-time Constants）和運行時常量（Runtime Constants）是指常量在程序執行過程中被確定的時間點不同。

• 編譯時常量

編譯時常量是指其值在程序編譯階段就已經確定并嵌入到代碼中的常量。

它們通常是直接賦值的，或者通過在編譯時可解析的表達式計算得到。

特點：

• 由于它們的值在編譯時就已確定，因此運行時無需再計算，這可以提升程序運行效率。

• 編譯時常量通常直接存儲在程序的只讀數據段，減少了運行時內存的使用。

使用場景：

• 定義數組大小、初始化類的靜態成員、以及在程序中使用的任何固定值。
• 在模板元編程中廣泛使用，用于在編譯時進行復雜的計算。

實現方式：

• 在 C++ 中，使用 constexpr 關鍵字來定義編譯時常量。

---

• 運行時常量

定義：

• 運行時常量是指其值在程序運行時才確定的常量。
• 它們的值可能依賴于運行時的輸入或其他只有在程序執行時才可知的數據。

特點：

• 靈活性：提供了根據運行時情況動態確定值的能力。
• 性能開銷：由于需要在程序運行時計算，可能會引入額外的性能開銷。

使用場景：

• 當常量值依賴于用戶輸入、文件讀取、或其他運行時環境因素時。
• 在需要根據不同的運行時條件選擇不同常量值的情況下使用。

實現方式：

• 通常通過 const 關鍵字定義，但其值賦予操作發生在程序運行時。

---

• 對比

確定時間：

• 編譯時常量：在編譯階段確定。
• 運行時常量：在運行階段確定。

優化：

• 編譯時常量：有助于性能優化，因為消除了運行時計算的需要。
• 運行時常量：提供靈活性，但可能增加性能開銷。

使用關鍵字：

• 編譯時常量：C++ 中使用 constexpr。
• 運行時常量：常用 const，但賦值發生在運行時。

---

特點

編譯時計算

constexpr 用于創建在編譯時就能被計算的表達式。這包括變量、函數和對象構造函數。

當 constexpr 用于變量時，它表明該變量的值是一個編譯時常量。這意味著變量的值必須在編譯時就已知，并且在程序的整個生命周期中保持不變。

constexpr int max_size = 100; // 編譯時常量

當 constexpr 用于函數時，它表示該函數在其所有參數都是常量表達式時，可以在編譯時執行。這意味著函數的返回值也必須是編譯時常量。

constexpr int factorial(int n) {return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}constexpr int fact_5 = factorial(5); // 編譯時計算 5 的階乘

這里，factorial 函數被定義為 constexpr，這意味著它可以在編譯時計算階乘。因此，fact_5 的值（120）將在編譯時被計算并嵌入到編譯后的代碼中。

在 C++11 之后，constexpr 還可以用于對象的構造函數。這允許在編譯時創建和初始化對象。

class Point {
public:constexpr Point(double xVal, double yVal) : x(xVal), y(yVal) {}constexpr double getX() const { return x; }constexpr double getY() const { return y; }private:double x, y;
};constexpr Point origin(0.0, 0.0); // 編譯時創建 Point 對象

在這個例子中，Point 類的構造函數被標記為 constexpr，這使得我們可以在編譯時創建和初始化 Point 對象。

注意：constexpr 函數或構造函數在編譯時計算時必須滿足一些條件，比如不能有未定義的行為、不能有非常量表達式的分支等。如果 constexpr 表達式在編譯時不能求值，它將導致編譯錯誤。

函數限制

C++11 中的 constexpr 函數限制

在 C++11 中，constexpr 函數的使用受到相對嚴格的限制：

1. 單一返回語句：函數體內只能包含一個 return 語句。
2. 無循環和分支結構：不允許使用循環（如 for、while）和復雜的分支結構（如 if-else）。
3. 簡單的邏輯：函數通常只能執行簡單的計算，如基本的算術運算。、

如：

constexpr int add(int a, int b) {return a + b; // 只有一個 return 語句
}

C++14 中的 constexpr 函數限制放寬

C++14 放寬了這些限制，使 constexpr 函數變得更加強大和靈活：

1. 多個返回語句：允許函數體內有多個 return 語句。
2. 支持循環和分支：可以使用循環和條件判斷等復雜結構。
3. 更復雜的邏輯：函數可以執行更復雜的邏輯和計算。

如：

constexpr int factorial(int n) {if (n <= 1) {return 1;} else {return n * factorial(n - 1); // 使用了遞歸}
}

類型限制

constexpr 的類型限制是 C++ 標準中的一個重要部分，確保了在編譯時可以安全且可靠地計算 constexpr 表達式。這些類型限制主要關注于字面類型（Literal Type），這是一類特定的類型，適用于編譯時的計算。以下是關于字面類型和 constexpr 的詳細解釋：

字面類型（Literal Type）

字面類型是一類特定的數據類型，它們適用于 constexpr 表達式。字面類型包括：

1. 算術類型：包括所有的整數類型（如 int、long）和浮點類型（如 float、double）。

2. 指針類型：任何類型的指針（包括指向函數的指針）。

3. 引用類型：任何類型的引用。

4. 某些類類型：

   • 類類型必須滿足特定條件才能被視為字面類型。這些條件包括但不限于：
     • 所有成員都必須是字面類型。
     • 必須有一個 constexpr 構造函數。
     • 如果有析構函數，它必須是平凡的（trivial）。

這些類型限制確保了 constexpr 表達式在編譯時是確定的和安全的。它們可以在編譯時完全計算，沒有未定義的行為或依賴于運行時才能確定的信息。

constexpr 變量和函數的類型限制

當定義 constexpr 變量或函數時，必須確保它們的類型是字面類型：

• 變量：constexpr 變量必須是字面類型。例如，constexpr int max_size = 100; 中的 int 是字面類型。

• 函數：constexpr 函數的返回類型和所有參數類型必須是字面類型。例如，constexpr int add(int a, int b) { return a + b; } 中的返回類型 int 和參數類型 int 都是字面類型。

類類型的 constexpr 示例

class Point {
public:constexpr Point(double xVal, double yVal) : x(xVal), y(yVal) {}constexpr double getX() const { return x; }constexpr double getY() const { return y; }private:double x, y; // double 是字面類型
};constexpr Point origin(0.0, 0.0); // Point 類是字面類型

在這個例子中，Point 類是一個字面類型，因為它的所有成員都是字面類型，并且它有一個 constexpr 構造函數。

constexpt與const

const 變量的值可以在編譯時或運行時被設定。這意味著它們可以根據運行時的計算或輸入來確定其值。

const int max_users = 100; // 編譯時常量
const int current_users = getUsersCount(); // 運行時常量

用途和好處

1. 性能提升：
   • 由于在編譯時完成計算，constexpr 可以顯著減少程序運行時的時間和資源消耗。
2. 內存使用優化：
   • 編譯時計算的結果通常存儲在程序的只讀數據段，降低了運行時的內存需求。
3. 代碼可讀性和可維護性提高：
   • constexpr 提供了一種明確和直接的方式來表示編譯時常量，使得代碼意圖更清晰。
   • 減少了運行時錯誤的可能性，因為很多計算在編譯時就已確定。
4. 更安全的代碼：
   • 編譯時計算減少了運行時可能的錯誤和異常，提高了代碼的整體安全性。