C++ 中的 constexpr 与 consteval 区别与应用

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在 C++20 之前，constexpr 关键字已经为我们提供了在编译期求值的能力，但它并不强制在编译期求值，更多的是一种“建议”。从 C++20 开始引入的 consteval 则彻底把函数的求值时机锁定在编译期，任何运行时调用都会导致编译错误。下面我们分别梳理两者的语义差异、适用场景，并给出实际代码示例，帮助开发者在实践中更好地选择使用。

1. 语义对比

关键字 编译期求值强制性 运行时是否允许 适用对象
constexpr 允许，但不强制 允许 函数、变量、构造函数等
consteval 强制 不允许 函数（不能声明为 consteval 的变量）
  • constexpr：如果函数或变量在使用时能在编译期求值，编译器会尝试这么做；如果不行，则退回到运行时。此时编译器并不会报错，但会在使用处出现运行时计算。
  • consteval：编译器必须在编译期求值，若不能，则编译失败。编译器在遇到 consteval 函数调用时，任何使用都被强制要求在编译期完成。

2. 实际使用场景

场景 推荐关键字 说明
需要在编译期计算常量，并希望编译器在必要时退回到运行时 constexpr 例如模板元编程中的阶乘，某些值不一定能在编译期确定。
必须保证函数在编译期求值，以便其结果用于 constexpr 变量或 static_assert consteval 用来构造真正的编译期常量，防止误用。
想在编译期检测某些属性但不需要返回值 constexpr + static_assert 通过 constexpr 函数返回 true/false，再在 static_assert 中使用。
编译期数组大小 constexpr 传统用法，返回数组大小。

3. 代码示例

3.1 constexpr 计算阶乘

constexpr unsigned long long factorial(unsigned int n) {
    return n <= 1 ? 1ULL : n * factorial(n - 1);
}

constexpr unsigned long long fact5 = factorial(5); // 120 在编译期求值
static_assert(fact5 == 120, "阶乘错误");

3.2 consteval 强制编译期

consteval int compute(int x) {
    return x * 2;   // 必须在编译期求值
}

constexpr int y = compute(10);   // 正常
int z = compute(10);             // 编译错误：consteval 函数不能在运行时调用

3.3 consteval 与 constexpr 混合使用

constexpr int square(int x) { return x * x; }   // 允许编译期或运行时

consteval int cube(int x) { return x * x * x; } // 必须编译期

constexpr int s = square(5);          // 25 在编译期求值
static_assert(cube(3) == 27, "立方错误"); // 编译期检查

4. 常见陷阱

  1. constexpr 变量不一定是常量表达式
    由于 constexpr 变量本身是常量，但其初始化表达式若不是常量表达式，编译器会退回到运行时。例如：

    constexpr int a = std::rand(); // 编译器报错：rand 不是常量表达式

  2. consteval 不能作为类成员
    consteval 只能修饰自由函数，不能修饰成员函数或构造函数。

  3. 编译器实现差异
    对于 constexpr，不同编译器在推导时机上的实现可能略有差异，尤其是 C++17 之前的标准允许更宽松的求值策略。

5. 结语

  • 若你只需要 可能 在编译期求值，或者想让编译器在不支持时退回到运行时，使用 constexpr。
  • 若你想强制编译期求值，避免任何运行时调用，或者在 static_assert 等上下文中使用，选择 consteval。

掌握两者的区别与适用场景，可以让你在写高效、可靠的 C++ 代码时更加游刃有余。

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