C++关键字constexpr和consteval的注意事项及说明

C++ 支持两种不可变性概念（即状态不可变的对象）

在C++的世界里，确保数据不被意外修改是构建健壮、安全程序的关键。为此，语言提供了两种核心的“不可变性”工具：const和constexpr。它们听起来相似，但职责和适用场景却大不相同，理解这一点是写出高质量C++代码的基本功。

const

你可以把const理解为一种“运行时承诺”。它的核心含义是：“我保证不会去修改这个值”。这个承诺主要是给程序员和编译器看的，用于定义清晰的接口边界。

想象一下，当你把一个对象的指针或引用传递给某个函数时，心里是不是总有点打鼓，担心它会不会被函数内部偷偷改掉？这时候，const就派上用场了。通过将参数声明为const，你明确告诉调用者：“放心，我不会动你的数据”。而编译器则会充当严格的监督员，确保你在函数内部确实遵守了这个承诺，任何试图修改const对象的代码都会导致编译错误。

一个关键点在于，const变量的值本身是可以在程序运行时才计算出来的。它关注的是“访问权限”的不可变性，而非“值”的确定性。

constexpr

如果说const是关于“不变”的承诺，那么constexpr就是关于“确定”的宣言。它的核心含义是：“请在编译时就给我算出来”。

声明为constexpr的变量，其值必须是一个编译器在编译期间就能确定的常量表达式。这样做有两个显著好处：首先，这些常量可以被放入只读内存段，从硬件层面降低了被意外破坏的风险；其次，由于所有计算在编译期就已完成，运行时直接使用结果，性能上自然更有优势。

来看一组对比鲜明的例子，就能立刻明白两者的区别：

constexpr int dmv = 17; // dmv 是一个命名常量，编译期确定
int var = 17; // var 只是一个普通变量
const double sqv = sqrt(var); // sqv 是一个const常量，但它的值（sqrt(var)）得到运行时才能算出来
double sum(const vector&); // sum承诺不修改其参数
vector v{ 1.2, 3.4, 4.5 };
const double s1 = sum(v); // 可行: sum(v)在运行时计算，结果用const保护
constexpr double s2 = sum(v); // 错误: sum(v)不是一个常量表达式，无法在编译时计算

那么，如何让一个函数能够用在constexpr语境中呢？答案就是将它也声明为constexpr（或C++20的consteval）。

constexpr double square(double x) { return x*x; }
constexpr double max1 = 1.4*square(17); // 可行: 所有部分都是常量表达式，编译时计算
constexpr double max2 = 1.4*square(var); // 错误: var不是常量，导致square(var)无法在编译时计算
const double max3 = 1.4*square(var); // 可行: 这里只要求const，可以在运行时计算square(var)

这里有个非常巧妙的设计：constexpr函数既可以接受常量实参（用于编译期求值），也可以接受非常量实参（此时它退化为一个普通函数，在运行时求值）。这就避免了为同一逻辑编写两个版本函数的麻烦。如果你想要一个“纯粹”的、强制必须在编译期执行的函数，那就应该使用C++20引入的consteval关键字，而不是constexpr。

consteval double square2(double x) { return x*x; }
constexpr double max1 = 1.4*square2(17); // 可行
const double max3 = 1.4*square2(var); // 错误: square2要求编译期求值，但var是变量，无法满足

无论是constexpr还是consteval函数，它们都是C++对“纯函数”这一概念的实现。所谓纯函数，就是没有副作用、输出完全由输入决定的函数。它们不能修改非局部变量，但别误会，它们内部完全可以拥有自己的局部变量，甚至可以使用循环等控制结构。

constexpr double nth(double x, int n) // 假设 0<=n
{
    double res = 1;
    int i = 0;
    while (i

编译期求值的能力在C++中绝非锦上添花，而是很多时候的硬性要求。比如定义数组大小、case标签、模板的非类型参数等场景，语言规则强制要求使用常量表达式。除此之外，将计算从运行时转移到编译时，也是提升程序性能的经典手段。当然，抛开性能不谈，清晰地表达“不可变”的设计意图，本身就是优秀软件设计的重要一环。

关于consteval，这里需要特别强调一下：它是C++20引入的新关键字，中文常译作“立即函数”。它比constexpr更严格，专门用于声明必须在编译时求值的函数，且只能用于函数或函数模板。调用consteval函数的实参必须是常量表达式。
consteval int sqr(int n) { return n * n; }
constexpr int r = sqr(100); // 可行：参数是字面量常量

int x = 100;
int r2 = sqr(x); // 错误: x是变量，无法满足编译期求值要求

const int x = 100; // 现在x是常量
int r2 = sqr(x); // 可行：参数是常量
constexpr int r3 = sqr(x); // 同样可行

// consteval函数可以调用其他consteval函数
consteval int sqrsqr(int n) { return sqr(sqr(n)); }

// 但constexpr函数内部调用consteval函数时，如果参数非常量，则会出错
constexpr int dblsqr(int n) {
    return 2 * sqr(n); // 错误：如果n不是常量，sqr(n)无法编译期求值
}

// 一些关于函数指针的复杂情况
consteval int f() { return 42; }
consteval auto g() { return &f; } // 返回立即函数的指针
consteval int h(int (*p)() = g()) { return p(); } // 参数默认值调用g()
constexpr int r = h(); // 可行
constexpr auto e = g(); // 错误：一个立即函数指针不允许作为常量表达式的结果

总结
总的来说，const和constexpr（连同其强化版consteval）是C++赋予开发者的两把利剑。const主内，负责维护接口的纯洁性与数据访问的安全性，是一种契约；constexpr/consteval主外，将计算尽可能前置到编译期，同时追求确定性与高性能。理解并恰当运用它们，能让你的代码在表达力、安全性和效率上更上一层楼。