constexpr 与 consteval：编译期计算的全新前沿

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在 C++20 之后，编译期计算（Compile‑Time Computation）迎来了全新的里程碑。除了长期存在的 constexpr 关键字，C++20 又引入了 consteval，进一步强化了编译期执行的约束与表达力。本文将从两者的语义差异、使用场景以及最佳实践三个方面进行深入剖析，帮助你在日常项目中更好地利用编译期优势。

1. 语义回顾：constexpr 与 consteval

关键字 语义 典型使用场景
constexpr 允许在编译期求值，但若在运行时调用仍可执行 计算常量、模板元编程、表达式求值等
consteval 必须在编译期求值，否则编译错误 需要严格保证编译期求值的函数、构造器或常量
  • constexpr：最初在 C++11 中引入，允许函数、构造器以及变量在编译期求值，但它并不强制，编译器在需要时才会决定是否使用编译期求值。若在运行时调用，编译器会生成运行时代码。
  • consteval：C++20 新增，用来明确声明一个函数（或构造器）必须在编译期求值。若在运行时调用，编译器会报错。

2. 典型代码演示

2.1 constexpr 的典型用法

constexpr int fib(int n) {
    return n <= 1 ? n : fib(n-1) + fib(n-2);
}

constexpr int val = fib(10); // 编译期计算
int arr[val];               // 编译期确定数组大小

上述代码中，fib 在编译期计算 fib(10)，但若你在运行时调用 fib(20)，编译器仍会生成运行时实现。

2.2 consteval 的典型用法

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

// 正确用法：编译期求值
constexpr int fact5 = factorial(5);

// 错误用法：编译错误，不能在运行时调用
// void foo() { int x = factorial(3); } // ❌

如果你希望在任何情况下都禁止 factorial 运行时调用，使用 consteval 是最安全的方式。

3. 何时使用 consteval？

场景 推荐使用
函数仅用于编译期计算，且任何运行时调用都是错误 consteval
需要在编译期保证参数合法性 consteval
想让编译器强制检查模板参数合法性 consteval
需要在编译期生成类型、大小或其他关键数据 constexpr + consteval 结合

3.1 典型示例：编译期生成数组大小

consteval std::size_t compile_time_size() {
    return 42;
}

int arr[compile_time_size()]; // 必须在编译期求值

如果你不使用 consteval，编译器可能允许在运行时求值，导致 arr 的大小不确定。

4. 性能与安全性对比

关键字 编译期求值成功率 运行时开销 编译期错误风险
constexpr 取决于编译器实现 低（可生成运行时代码） 低（可在运行时回退）
consteval 必须成功 低（永远是编译期） 高（任何失败都导致编译错误）

consteval 的主要优势在于编译期错误的可见性。它让你在编译时即能发现逻辑错误，例如非法参数或循环依赖。对于大规模模板元编程项目，使用 consteval 能显著降低“编译期错误但不易定位”的问题。

5. 与 constexpr 结合的最佳实践

  1. 先写 constexpr，再用 consteval 修饰不允许运行时调用的函数
    先使用 constexpr 实现基本功能，然后对关键路径使用 consteval 强制编译期求值。

  2. 在模板参数中使用 consteval 

    template<int N>
struct FixedSizeArray {
    std::array<int, N> data;
};

constexpr int size() { return 10; }
FixedSizeArray< size() > arr; // 编译期确定大小

  3. 利用 consteval 做编译期断言 

    consteval void assert_positive(int n) {
    if (n <= 0) throw "negative";
}

constexpr int foo = []{
    assert_positive(5);
    return 42;
}();

    若传入负数，编译器会报错，避免了潜在的运行时错误。

6. 结语

C++20 引入的 consteval 为编译期计算提供了更严谨、更安全的语义。通过正确使用 constexpr 与 consteval，你可以在保证性能的同时，提升代码的可靠性和可维护性。未来的项目中，建议将编译期检查与运行时实现分离，使用 consteval 进行严谨约束，只有在确实需要时才使用 constexpr。这样不仅能让编译器在早期发现错误，还能让你的代码在编译期做出更多决策，从而获得更好的运行时性能与更低的内存占用。

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