C++20 新增两个 const 相关的关键字后,你能分清楚这四个关键字吗?

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C++20新增了两个const相关的关键字,于是当前存在四个相似的关键字:const,constexpr,consteval和constinit。

接下来分别来进行讨论。

第一,经过const修饰的变量具有只读属性,并且初始化发生于运行期。也就是说,若一个变量定义之后不允许被修改,就应该给它加上const。若在一个成员函数中不修改任何成员变量,就应该在成员函数后面加上const。

但是,它也可能发生于编译期,例如以const int代替宏来定义数组大小。

第二,经过constexpr修饰的变量或是函数,既保证只读,又发生于编译期。

然而,只有在参数是常量,和显式地以其返回值来初始化一个编译期常量时,它修饰的函数才会一定发生于编译期。如:

#include <iostream>
 
 constexpr int sqr(int n) {
     return n * n;
 }
 
 
 int main() {
 
  // compile time
  static_assert(sqr(10) == 100);

  // compile time
  int array[sqr(10)];

  // compile time
  constexpr int res = sqr(10);

  // compile time or run time
  int tmp = sqr(10);

  // run time
  int a = 10;
  int tmp2 = sqr(a);
}

此处,最后两个都可能发生于运行期。

第三,consteval用于创建一个immediate function(立即函数),immediate function的每次调用都会创建一个编译期常量。

经过该关键字修饰的函数会自动inline,这个函数中不能包含static数据,或是try、goto、new这种指令,也不能调用或使用非常量的函数与数据。

所以,简单来说,经过consteval修饰的函数必定会在编译期解析。

一个小例子:

#include <iostream>
 
 int sqr1(int n) {
     return n * n;
 }
 
 constexpr int sqr2(int n) {
     return n * n;
 }

consteval int sqr3(int n) {
    return n * n;
}


int main() {

  //constexpr int res1 = sqr1(10); // error! run time
  constexpr int res2 = sqr2(10); // compile time
  constexpr int res3 = sqr3(10); // compile time

  int a = 10;
  int res4 = sqr1(a); // run time
  int res5 = sqr2(a); // run time
  //int res6 = sqr3(a); // error! compile time

}

这里有三个版本的sqr函数,sqr1()无任何修饰,所以只能在运行期调用;sqr2()以constexpr修饰,可能发生于运行期,也可能发生于编译期,取决于传入的参数;sqr3()以consteval修饰,所以必定发生于编译期。

因此,企图用运行期函数(sqr1)的返回值来初始化编译期常量,或是企图用非常量作为参数去调用编译期函数(sqr3),都将以失败告终。

第四,constinit可以确保变量初始化于编译期,这些变量须得处于静态存储区或是线程存储期。

静态存储区的变量,指的是全局变量、static变量或static成员变量;线程存储区的变量,指的是以thread_local修饰的变量,就是和线程生命期绑定的局部变量。

举个例子:

#include <iostream>
 
 constexpr int val1 = 100;
 constinit int val2 = 100;
 
 
 int main() {
 
   //std::cout << "++val1 " << ++val1 << '\n'; // error
  std::cout << "++val2 " << ++val2 << '\n';

  constexpr auto val3 = 100;
  //constinit auto val4 = 100; // error
  constinit thread_local auto val5 = 100;
}

如第13行所示,不能用constinit修饰非静态的局部变量。

以constexpr和constinit修饰的变量都存在于编译期,不同之处在于,constexpr带有只读属性,而constinit没有。

最后,画张图来总结一下。

640.webp

这里有两个维度,横向是运行时期,纵向是读写权限。关键字的作用就是来限定变量和函数在这两个维度的表现。

由于四个关键字不是同一时间引入的,所以const和constexpr有交叉部分(图中没体现)。就是说,const也可以表现编译期,constexpr也可以表现运行期。

而C++20新加的两个关键字,分别用于限定非只读的编译期变量和函数,变量必须存在于静态存储区或线程存储区,函数必须是immediate function。

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