1.4、放宽的 constexpr 限制

C++14放宽constexpr限制的核心变化

在C++11中，constexpr函数的限制非常严格：函数体只能写一条return语句，不能声明变量，不能有循环和分支，递归也只能靠三元运算符“?:”硬凑。这导致constexpr函数虽然能在编译期计算，但写起来极其受限，代码难读难维护。

C++14“让编译时计算更自然、更强大”，因此放宽了这些限制，主要体现在：

• • 允许多条语句：函数体不再局限于单条return，可以写多条语句，代码更清晰。
• • 支持局部变量：可以在constexpr函数中声明局部变量，只要它们是字面类型（Literal Type）。
• • 支持循环和条件分支：可以用if、for、while等控制流，写出更复杂的逻辑。
• • 支持递归调用：递归不再只能用三元运算符，写法更直观。

这意味着，C++14中的constexpr函数不再是“只能写一行表达式”的“死板”函数，而是接近普通函数的灵活，极大地提升了编译时计算的实用性和代码可读性。

深度案例讲解：用C++14写一个编译时阶乘函数

下面通过一个阶乘函数的例子，展示C++14中constexpr的强大和灵活。

constexpr int factorial(int n) {
    int result = 1;                // 局部变量，C++11中不允许
    for (int i = 2; i <= n; ++i)  // 循环，C++11中不允许
        result *= i;
    return result;                 // 多条语句，C++11只能单条return
}

代码解析与底层细节

• • 局部变量result的引入：在编译期，编译器为result分配空间，跟运行时一样，只不过它的生命周期限定在编译阶段。它必须是字面类型（此处是int），保证编译期能确定其值。
• • 循环结构：编译器在编译时“展开”循环，逐步计算乘积，类似于模板元编程中的递归展开，但写法更直观。
• • 多条语句：函数体不再是单条表达式，编译器能正确处理多条语句的顺序和作用域，保证结果正确。

常见错误及注意事项

1. 1. 非字面类型变量不能用作constexpr函数中的局部变量
   例如，不能声明std::string类型的局部变量，因为它不是字面类型。
2. 2. constexpr函数中调用的函数也必须是constexpr
   不能调用普通函数，否则编译器无法保证编译时求值。
3. 3. constexpr函数不能有副作用
   例如修改全局变量、静态变量、IO操作等，都会导致编译期求值失败。
4. 4. 构造函数和成员函数的constexpr限制
   C++14放宽了成员函数中修改成员变量的限制，但构造函数仍需满足字面类型要求，且初始化列表必须是常量表达式。
5. 5. 递归深度有限制
   编译器对递归展开深度有限制，过深递归会导致编译失败。

总结

C++14放宽constexpr限制，是语言设计上对编译时计算能力的重大增强。它从根本上改变了constexpr函数的写法和应用场景，让编译时计算更灵活、更强大、更易用。掌握这一特性，能让程序员写出更高效、类型安全且表达力强的代码。从底层看，编译器需要管理更多的状态和控制流信息，在编译阶段模拟变量和循环的执行，这对编译器实现提出了更高要求，但也极大地释放了程序员的创造力。
本文首发于【讳疾忌医-note】公众号，未经授权，不得转载。
（加入我的知识星球，免费获取账号，解锁所有文章。）