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c++中const和constexpr的区别

C and C++4个月前 (08-27)

核心概念总结

const：主要是一个语义/承诺概念，意思是“只读”。它告诉编译器和程序员：“这个对象初始化后，我不应该通过这个标识符去修改它”。它不关心这个值是在编译期还是运行期确定的。
constexpr：主要是一个时间点概念，意思是“常量表达式”。它告诉编译器：“这个值（或函数）必须在编译期就能计算出来”。因为它必须在编译期确定，所以它天然就是const的（即只读的）。

可以把它们的关系理解为：所有的constexpr都是const，但并非所有的const都是constexpr。

详细区别与示例

我们从变量和函数两个角度来分析。

1. 用于变量（Objects）

特性	`const`	`constexpr`
核心含义	只读。运行时或编译期初始化均可。	编译期常量。必须在编译期初始化。
初始化时间	运行时或编译期	必须是编译期
要求的严格性	较宽松。可以用运行时计算的结果初始化。	非常严格。初始化表达式必须是编译期可计算的。
用途	保证程序逻辑上不修改变量。	用于需要编译期常量的场景（如数组大小、模板参数等）。

示例代码：

#include <iostream>

int get_value() {
    return 10;
}

constexpr int get_value_constexpr() {
    return 10;
}

int main() {
    int runtime_var = 10; // 显然是运行时变量

    // 1. const 变量
    const int const_var_1 = 10;           // 编译期初始化，是 const，也是编译期常量
    const int const_var_2 = get_value();  // **运行时**初始化，是 const，但不是编译期常量

    // 2. constexpr 变量
    constexpr int constexpr_var_1 = 10;                         // 正确：字面量，编译期可知
    constexpr int constexpr_var_2 = get_value_constexpr();      // 正确：constexpr函数在编译期计算
    // constexpr int constexpr_var_3 = get_value();            // **错误！** get_value() 不是 constexpr 函数，无法在编译期求值
    // constexpr int constexpr_var_4 = const_var_2;            // **错误！** const_var_2 本身是运行时初始化的，不是编译期常量

    // 关键区别体现在需要编译期常量的场景
    int array_1[const_var_1];     // OK (在大多数编译器下): 因为 const_var_1 是编译期常量
    // int array_2[const_var_2];  // **错误！** const_var_2 不是编译期常量，不能用于定义数组大小
    int array_3[constexpr_var_1]; // OK: constexpr_var_1 肯定是编译期常量

    // 对于模板元编程（如 std::array）
    std::array<int, const_var_1> arr1;     // 通常OK
    // std::array<int, const_var_2> arr2;  // 错误！
    std::array<int, constexpr_var_1> arr3; // 总是OK

    return 0;
}

2. 用于函数（Functions）

特性	`const`成员函数	`constexpr`函数
核心含义	承诺不修改类的成员变量（`mutable`成员除外）。	表示该函数有可能在编译期被调用和执行。
调用时机	只能在运行时调用。	既可以在编译期调用，也可以在运行时调用。
函数体要求	函数体内不能修改非`mutable`成员。	函数体在C++11/14/17/20标准下有严格限制，但标准在逐步放宽。通常要求函数体非常简单（C++11），后来可以包含循环、局部变量甚至`if`等（C++14+）。

核心思想：constexpr函数就像一个“承诺”，承诺如果我给你的参数是编译期常量，那么我就能在编译期计算出结果。如果给的是运行时变量，那么它就在运行时计算，像一个普通函数一样。

示例代码：

#include <array>

// 一个 constexpr 函数
constexpr int square(int n) {
    return n * n;
}

class MyClass {
public:
    // const 成员函数：承诺不修改成员状态
    int get_value() const {
        return member_var;
    }

    // constexpr 构造函数：允许在编译期创建该类的常量表达式
    constexpr MyClass(int x) : member_var(x) {}
    
    // constexpr 成员函数
    constexpr int get_value_constexpr() const {
        return member_var;
    }

private:
    int member_var;
};

int main() {
    int x = 5;

    // 使用 constexpr 函数
    constexpr int compiled_time_result = square(10); // 编译期计算
    int run_time_result = square(x);                 // 运行时计算

    // 使用 constexpr 构造函数
    constexpr MyClass obj(15); // 必须在编译期初始化
    constexpr int val = obj.get_value_constexpr(); // 编译期调用 constexpr 成员函数

    // 用于需要编译期常量的场景
    std::array<int, square(5)> arr1; // 数组大小在编译期计算为 25
    // std::array<int, square(x)> arr2; // 错误！x 不是编译期常量

    return 0;
}

总结与使用建议

场景	推荐使用	原因
需要一个绝对不会改变的值	`const`或`constexpr`	语义上是“只读”的。
需要一个值，并且它必须在编译期就知道（如数组大小、模板参数、case标签）	必须使用`constexpr`	`const`不一定能在编译期知道值。
设计一个函数，希望它既能用于编译期计算也能用于运行时计算	`constexpr`	提高了函数的可用性和性能（编译期计算可优化为字面量）。
一个类的成员函数，承诺不修改对象状态	`const`	这是`const`成员函数的专属用途。
一个类的构造函数，希望该类能用于编译期常量	`constexpr`	允许在编译期创建该类的常量表达式对象。