常量表达式(constexpr常量表达式)

在计算机编程中，常量一般是指不可改变的变量。常量表达式则是指在编译时能够被计算出结果的表达式。因为是编译时计算，所以常量表达式可以被用于许多需要常量的场合，如数组大小、枚举值和函数参数等等。

一、定义

常量表达式是指在编译时可以被完全计算出值的表达式。这个表达式必须经过编译器的限制以确保它们能够被在编译时求值。通常情况下，常量表达式由常量和运算符组成，比如下面这个例子：

const int a = 1 + 2; // 常量表达式

在这个例子中，1和2是常量，加法运算符也是一个常量表达式。因此，整个表达式在编译时就能够被计算出结果。在这个例子中，1 + 2 的结果是3，所以a被初始化为3。

二、特性

1、编译时计算

常量表达式的最大特点就是在编译时计算，这可以避免在程序运行时进行运算，大大提高了程序的执行效率。比如下面这个例子：

const int n = 1000;
int arr[n]; // 错误，n不是常量表达式

const int m = 1000;
int arr[m]; // 正确，m是常量表达式

在这个例子中，n是一个不可改变的常量，但不是一个常量表达式。因为在编译时不能从n的定义中推断出n的值，因此这个定义是错误的。而m则是一个编译时常量表达式，因此它可以用于数组的定义。

2、限制

常量表达式必须满足编译器的严格限制，这些限制通常包括：

只能包含内置类型的常量、常量定义或constexpr函数；
不能包含运行时函数，如rand、time等；
在同一个作用域内，同一个常量表达式始终得到相同的值。

举个例子：

constexpr int foo(int n) { return n * 2; }

int main() {
    // 正确
    constexpr int a = 1 + 2 + 3 + 4;
    constexpr int b = foo(5);
    // 错误，rand是运行时函数
    constexpr int c = rand();
}

3、应用

常量表达式在编译时计算，可以用于许多需要常量的场合，如：

数组大小的定义；
枚举值的定义；
函数参数的定义；
模板参数的定义。

下面是一个例子：

constexpr int factorial(int n) {
  return n == 0 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

enum class Direction : int {
  Up = 0,
  Down = 1,
  Left = 2,
  Right = 3
};

template &ltint N&gt
struct Foo {
  int arr[N % 10];
};

int main() {
  // 数组大小为30
  Foo&lt30&gt foo;

  // 方向为右
  constexpr Direction direction = Direction::Right;

  // 阶乘的结果在编译时计算
  static_assert(factorial(5) == 120);
}

三、总结

常量表达式在编译时能够被完全计算出值的表达式，它能够避免在程序运行时进行运算，提高了程序的执行效率。但是它也有一定的限制，比如只能包含内置类型的常量、常量定义或constexpr函数，不能包含运行时函数。常量表达式广泛应用于数组大小的定义、枚举值的定义、函数参数的定义和模板参数的定义等。