**C++ 中的 constexpr 与 consteval：编译时计算的未来**

在 C++20 之前，constexpr 是实现编译时计算的主要手段。随着 C++23 的到来，consteval 被引入，为编译期函数提供了更严格的保证。本文将从概念、语义、使用场景和性能角度，系统梳理这两种关键字，并给出实际代码示例，帮助读者在项目中灵活运用。

1. `constexpr` 的历史与语义

定义：constexpr 用于声明函数、构造函数、变量或类成员，保证其在编译期间可以被求值。
可用场景：常量表达式、模板元编程、数组大小、std::array 的模板参数等。
限制：编译器只在需要时进行求值；如果某个表达式在运行时仍然被使用，编译器不会强制计算。编译期求值不一定是强制执行的。

constexpr int square(int n) { return n * n; }

int arr[square(3)];  // 必须在编译期求值

2. `consteval` 的诞生

定义：consteval 声明的函数在任何调用处都必须在编译期间求值，否则编译错误。
用途：确保某些功能只能在编译时使用，避免因运行时调用导致的不可预期行为。
与 constexpr 的区别：
- constexpr 允许“按需”求值；consteval 强制编译时求值。
- consteval 更适合实现真正的“编译时执行”，比如在模板元编程或宏展开期间执行逻辑。

consteval int factorial(int n) {
    return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

constexpr int fact3 = factorial(3);  // OK
int main() {
    int x = factorial(3);  // 编译错误，必须在编译期求值
}

3. 实际使用技巧

场景	关键字	说明
需要可变模板参数	`constexpr`	如 `std::array<int, N>`
必须在编译时完成的安全检查	`consteval`	如验证模板参数合法性
需要在运行时可选的编译时优化	`constexpr`	如 `std::conditional_t`

3.1 条件编译优化

template<std::size_t N>
constexpr auto generate_pattern() {
    if constexpr (N % 2 == 0) {
        return "even";
    } else {
        return "odd";
    }
}

static_assert(generate_pattern <4>() == "even");

3.2 运行时 vs 编译时错误

consteval void check_non_negative(int x) {
    if (x < 0) throw "negative not allowed";
}

int main() {
    check_non_negative(5);  // OK
    check_non_negative(-3); // 编译错误
}

4. 性能对比

关键字	运行时代价	编译时代价
`constexpr`	可能是零成本（如果已编译求值）	取决于表达式复杂度
`consteval`	不能在运行时出现	同 `constexpr`，但编译器需保证全部求值

经验总结：

对于需要在编译期计算但允许在运行时调用的逻辑，使用 constexpr。
对于必须严格编译期执行，且不允许运行时调用的逻辑，使用 consteval。
组合使用：consteval 内部可以调用 constexpr 函数，确保内部逻辑在编译期可复用。

5. 小结

constexpr 与 consteval 是 C++ 现代编程中不可或缺的工具。通过正确地选择和组合这两个关键字，开发者能够：

在编译期间完成复杂的计算与验证，减少运行时开销。
增强代码安全性，避免运行时错误。
编写更具表达力与可维护性的模板元编程代码。

在实际项目中，建议先从 constexpr 开始，逐步迁移到 consteval，以确保代码的兼容性与可读性。掌握这两个关键字，将为你开启 C++ 20+ 编译期计算的无限可能。

1. constexpr 的历史与语义

2. consteval 的诞生