**标题：C++20 中的 constexpr 函数：从编译期计算到运行时灵活性**

在 C++20 之前，constexpr 函数仅能在编译时求值，且对函数体的限制相对严格。随着 C++20 的发布，这些限制大幅放宽，使得 constexpr 函数既能在编译期执行，也能在运行时正常调用。本文将从语法、限制、典型用法以及与常见问题的对比三方面，深入剖析 C++20 constexpr 函数的演进与应用。

1. `constexpr` 函数的演进

标准	关键变更	说明
C++11	仅能包含单个返回语句、有限循环、限制的指针	`constexpr` 主要用于编译期常量表达式
C++14	支持多语句、循环、递归	允许在编译期执行更复杂的计算
C++17	允许返回引用、支持 `std::initializer_list`	进一步提高可用性
C++20	允许在运行时调用 `constexpr`，引入 `consteval`、`constinit`、`const` 变量	使 `constexpr` 函数在编译期与运行时之间无缝切换

consteval 强制在编译期求值；constinit 确保变量在编译期初始化；const 变量在 C++20 中不再需要 constexpr 限定。

2. 语法与使用示例

2.1 基础示例

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

在编译期，square(5) 可被替换为 25；在运行时，仍然可以调用。

2.2 循环与递归

constexpr int factorial(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) result *= i;
    return result;
}

C++20 允许循环体内使用 break、continue 等语句，且递归深度可以在编译期无限递归，前提是满足编译器的递归深度限制。

2.3 引用返回

constexpr int& get_static_ref() {
    static int val = 42;
    return val;
}

此函数在编译期返回对静态变量的引用，在运行时也可正常使用。

3. 与 `consteval` 的比较

关键字	强制执行	可在编译期使用	可在运行时使用
`constexpr`	否	✔	✔
`consteval`	是	✔	❌

使用场景：当你需要保证某个表达式必须在编译期求值，且不允许在运行时被调用时，选择 consteval。如编译期检查数组大小。

4. 常见问题与误区

4.1 `constexpr` 函数的递归深度限制

编译器对递归深度有限制（通常为 1024）。如果需要更深层次的编译期递归，可考虑改用模板元编程或 std::integral_constant。

4.2 `constexpr` 变量与 `const` 的关系

C++20 将 const 变量视为 constexpr，但仅在其初始化表达式为 constexpr 时才满足。若想强制编译期初始化，可使用 constinit。

constinit int x = compute(); // 必须在编译期计算

4.3 与模板的结合

constexpr 函数可以作为非类型模板参数：

template<int N>
struct S {
    static constexpr int value = N;
};

constexpr int pow2(int n) { return 1 << n; }
S<pow2(4)> s; // 等价于 S<16>

这让模板参数不再局限于整数字面量，而是可以是任意 constexpr 表达式。

5. 实战案例：编译期字符串拼接

C++20 引入了 std::string_view 的 constexpr 支持，使得在编译期构造字符串变得可行。

#include <string_view>
#include <array>

constexpr std::array<char, 10> hello() {
    std::array<char, 10> arr{};
    const char* src = "Hello";
    for (int i = 0; src[i] != '\0'; ++i) {
        arr[i] = src[i];
    }
    return arr;
}

constexpr auto str = hello();
static_assert(str[0] == 'H');

此示例演示了在编译期构造字符数组，并在 static_assert 中验证结果。

6. 小结

C++20 的 constexpr 函数通过放宽语法限制和引入新的关键词，极大提升了编译期计算的能力。开发者可以更灵活地在编译期完成复杂计算、生成元数据，甚至将 constexpr 函数与模板元编程结合，构建更高效、类型安全的代码。随着编译器对 constexpr 的优化不断提升，合理使用这些特性，将使程序在性能和安全性上获得双重收益。

1. constexpr 函数的演进