C++ 17 中的 constexpr 变得更强大：如何在编译期进行复杂计算

在 C++17 之前，constexpr 的使用范围相当有限，通常只能在非常简单的场景中声明常量表达式。随着 C++17 的到来，constexpr 变得更加灵活，可以在编译期执行几乎任何合法的 C++ 代码。本文将详细介绍这些新特性，并展示如何利用它们在编译期完成复杂计算，从而提升程序运行时性能并增强类型安全性。

1. 传统 `constexpr` 的局限

在 C++11/14 中，constexpr 函数被严格限制为：

只能包含一条 return 语句；
不能有循环、条件语句、递归调用等；
不能使用非 constexpr 变量。

因此，常常需要编写冗长的模板元编程或使用宏来实现编译期计算。

2. C++17 的关键改进

C++17 引入了以下改动，使 constexpr 的使用更为自然：

constexpr 函数内部可以包含循环与条件语句

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

允许在 constexpr 函数中使用非 constexpr 变量
只要这些变量在调用时是常量表达式，编译器就会把它们当作编译期常量处理。
支持递归
通过 constexpr 递归实现更直观的编译期算法，例如斐波那契数列、质数检测等。
改进的 if constexpr
在模板特化时可以使用 if constexpr 根据编译期条件分支代码，减少不必要的实例化。

3. 实际应用示例

3.1 编译期计算数组大小

#include <array>
#include <cstddef>
#include <utility>

constexpr std::size_t fibonacci(std::size_t n) {
    if (n <= 1) return n;
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2);
}

template <std::size_t N>
constexpr std::array<int, N> generate_fibonacci_array() {
    std::array<int, N> arr{};
    for (std::size_t i = 0; i < N; ++i) {
        arr[i] = static_cast <int>(fibonacci(i));
    }
    return arr;
}

constexpr auto fib_arr = generate_fibonacci_array <10>();

这里的 generate_fibonacci_array 在编译期完成所有计算，生成一个长度为 10 的 std::array，其内容在程序运行时已经是常量。

3.2 编译期字符串拼接

#include <string_view>

constexpr std::string_view operator"" _sv(const char* s, std::size_t n) {
    return std::string_view{s, n};
}

constexpr std::string_view concat(const std::string_view a, const std::string_view b) {
    std::string_view res;
    // 由于 C++17 不支持在 constexpr 内部动态分配字符串，
    // 我们可以用静态数组拼接：
    static char buffer[256];
    std::size_t i = 0;
    for (auto ch : a) buffer[i++] = ch;
    for (auto ch : b) buffer[i++] = ch;
    res = std::string_view{buffer, i};
    return res;
}

constexpr auto hello_world = concat("Hello,"_sv, " World!"_sv);

上述代码展示了如何在编译期拼接字符串，虽然受限于静态缓冲区，但对于常量字符串拼接已足够。

4. 性能与安全性

运行时性能提升：将计算搬到编译期，减少运行时开销，尤其在大数据量或多线程环境中显著。
类型安全：编译期计算可以捕捉更多错误，例如在 constexpr 函数中使用非法值会导致编译错误，而不是运行时崩溃。
减少代码冗余：无需手写模板元编程或宏，代码更易读维护。

5. 常见陷阱与解决方案

递归深度限制
编译器对递归深度有限制，超过可能导致编译错误。可采用尾递归优化或使用循环代替递归。
对 constexpr 的误解
constexpr 并不意味着“在编译时执行”。它表示该函数可以在编译期被求值，但实际是否在编译期执行取决于使用场景。
大规模编译期计算导致编译时间膨胀
适度使用，避免在每个编译单元中大量计算。可考虑将结果预生成放入头文件。

6. 结语

C++17 极大地扩展了 constexpr 的能力，使得编译期计算从一种技术细节逐渐变成可读可写、可维护的常规编程模式。通过合理利用 constexpr，我们可以写出既高效又安全的 C++ 代码。希望本文能帮助你在项目中更好地使用 constexpr，把更多工作交给编译器，让运行时更快、更可靠。

1. 传统 constexpr 的局限