**C++ 20 中的 consteval 与 constexpr 的区别**

作者

在 C++20 之前，constexpr 已经成为了编译期常量的标识符，允许在编译时求值的函数与变量。但随着 C++20 的发布，新增了 consteval 关键字，它在功能上与 constexpr 有细微而重要的区别。下面从概念、语义、适用场景以及典型使用案例四个方面详细剖析这两者的差异。

1. 概念与语义

关键字 作用 评估时机 允许的操作 错误行为
constexpr 声明编译期可求值的实体 编译期 可选，若无法在编译期求值，则退回运行时 仅允许编译期可求值的表达式；若失败，只影响编译期求值 无编译错误，编译器可在运行时生成代码
consteval 声明 必须 在编译期求值的实体 必须在编译期 与 constexpr 相同，但若不满足编译期求值条件则直接报错 编译错误，阻止生成运行时代码

简而言之，constexpr 只保证 在编译期能够求值，但不强制；而 consteval 强制 一定在编译期求值。如果一个 consteval 函数在调用时传入的实参无法在编译期求值，编译器会立即报错，而 constexpr 则会退回到运行时执行。

2. 适用场景

场景 适合使用 constexpr 适合使用 consteval
函数可以在编译期或运行时执行 如常用的 std::max、std::min、数学运算等 不适用
需要保证函数在编译期必定求值 如宏式编译器选项、编译期数组大小计算 如类型大小计算、编译期字符串拼接等
编译期错误提示 编译期错误仅作为警告 编译期错误会导致编译失败，提示开发者使用不当
性能优化 允许在编译期求值但也可在运行时执行，避免不必要的编译期开销 需要确保所有调用都在编译期完成，避免运行时开销

3. 典型使用案例

3.1 用 constexpr 实现通用 gcd（最大公约数）

constexpr int gcd(int a, int b) {
    return b == 0 ? a : gcd(b, a % b);
}

此函数既可以在编译期计算 gcd(12, 18)，也可以在运行时使用 gcd(x, y)。

3.2 用 consteval 实现编译期字符串拼接

consteval const char* concat(const char* a, const char* b) {
    static char buffer[256];
    // 简化实现，真实使用中应考虑长度检查
    std::size_t i = 0;
    while (a[i] != '\0') buffer[i] = a[i++];
    std::size_t j = 0;
    while (b[j] != '\0') buffer[i++] = b[j++];
    buffer[i] = '\0';
    return buffer;
}

constexpr const char* full = concat("Hello, ", "world!"); // 编译期求值

如果我们尝试 consteval concat(s1, s2) 但 s1、s2 在运行时才确定，编译器将报错。

3.3 用 consteval 检查数组大小是否合法

consteval void check_size(std::size_t size) {
    if (size == 0) throw "Array size must be > 0";
}

consteval void use_array(std::size_t n) {
    check_size(n);
    int arr[n];
}

在调用 use_array(0) 时编译会立即报错，防止产生无效数组。

4. 编译器差异与兼容性

  • 大多数现代编译器（GCC 10+、Clang 10+、MSVC 16+）已完全支持 consteval。
  • consteval 函数若出现运行时错误（如异常抛出），编译器会在编译期生成相应错误。
  • 对于旧编译器，需要使用宏或条件编译来降级为 constexpr 或传统实现。

5. 小结

  • constexpr：可选编译期求值，若不满足则退回运行时。
  • consteval：强制编译期求值，任何不满足条件的调用都会导致编译错误。
  • 在需要强制保证编译期行为、提升错误可见性时使用 consteval；在既想获得编译期优化又允许运行时执行时使用 constexpr。

掌握这两者的区别与使用时机，可以让 C++ 程序员在编写高性能、类型安全的代码时更加得心应手。

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