[C++知识库]《Effective Modern C++》学习笔记 - Item 15: 尽可能使用 constexpr

• constexpr 关键字的概念丰富，作用于对象和函数时意义不同。

• 作用于对象，constexpr 描述的对象是常量，且值在编译期已知。

    int sz;								// 未初始化的int
    
    constexpr auto arraySize1 = sz;		// error! sz的值在编译期未知
    const auto arraySize2 = sz;			// ok. arraySize2是sz的const copy。MSVS过编译但链接报错，GCC可以运行且输出为0。

    std::array<int, sz> data1;			// error, std::array的size必须在编译期已知
    std::array<int, arraySize2> data2;	// error, 同上
    
    constexpr auto arraySize3 = 10;		// ok
    std::array<int, arraySize3> data3;	// ok

• 总结：所有 constexpr 对象都是 const，但不是所有 const 对象都是 constexpr。当你需要保证一个变量是编译期已知（已初始化）的常量时，使用 constexpr 而不是 const。

• 作用于函数，constexpr 描述的函数被调用时如果参数是编译期常量，则其值也在编译期被计算；如果有一个或更多参数在编译期未知，则表现与普通函数一样。相当于是一个纯编译期的常量函数与一个普通函数的二合一。

• 接下来通过一个情景展示 constexpr 的使用如何扩展到超出你想象的范围。假设我们要在一个 std::array 中存储某个系统的状态，状态的数量（数组空间）大小是 $3^n$，其中 n 或许是或许不是一个常量。这里有两个原因使我们不能使用 std::pow 函数：一，它作用于浮点型；二，它不是 constexpr，所以不能将它用于 std::array 的size。那我们就自己写一个：

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept {
    return (exp == 0 ? 1 : base * pow(base, exp - 1));
}
...
constexpr auto num = 5;
std::array<int, pow(3, 5)> results;

• C++11对 constexpr 函数的限制是其只能有一个语句：return，可以用条件运算符 ?: 代替 if-else 和用递归来代替循环。C++14放宽了这一要求，于是可以写一个循环版本的 pow 函数：

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept {
    auto result = 1;
    for (int i = 0; i < exp; ++i)   result *= base;
    return result;
}

• constexpr 函数只能接受和返回字面类型（literal types），即在编译期有确定值的类型。所有内建类型除 void 均满足这一点，而实际上用户定义的类型也可以满足，因为构造和其它成员函数可以被声明为 constexpr：

class Point {
public:
    constexpr Point(double xVal = 0, double yVal = 0) noexcept
        : x(xVal), y(yVal)
    {}

    constexpr double xValue() noexcept { return x; }
    constexpr double yValue() noexcept { return y; }

    constexpr void setX(double newX) noexcept { x = newX; } // C++14
    constexpr void setY(double newY) noexcept { y = newY; }

private:
    double x, y;
};

• C++11中，两个 setter 函数不能被声明为 constexpr，因为（1）它们的返回类型是 void；（2）constexpr 隐含为 const 条件，而它们更改了数据成员的值。C++14中放宽了这两个限制，于是它们也能是 constexpr 函数了。于是，以下 Point 的构建、运算等操作都可以在编译期完成：

constexpr
Point midPoint(const Point& p1, const Point& p2) noexcept
{
    return Point((p1.xValue() + p2.xValue()) / 2,
                 (p1.yValue() + p2.yValue()) / 2);
}
constexpr
Point reflection(const Point& p) noexcept
{
    Point result;
    result.setX(-p.xValue());
    result.setY(-p.yValue());
    return result;
}

constexpr Point p1(9.4, 27.7);
constexpr Point p2(28.8, 5.3);

constexpr auto mid = midPoint(p1, p2);
constexpr auto reflectedMid = reflection(mid);

总结

1. constexpr 对象是 const，且其值在编译期已知（必须是经过初始化的）。
2. constexpr 函数当使用编译期已知量作为参数调用时其结果也在编译期得出。
3. constexpr 是对象或函数声明（接口）的一部分。