C++ constexpr 深度解析：編譯期計算、常量表達式與 const 對比

核心定位

constexpr（C++11 引入，C++14 擴展）指示值或函數返回值在編譯期可計算。比 const 更強：const 只保證運行時不修改，constexpr 保證編譯期確定。

constexpr 變量：編譯期常量

constexpr int x = 42;           // OK
constexpr double pi = 3.14159;  // OK
constexpr int y = x + 1;        // OK，依賴 constexpr
int z = 10;
constexpr int w = z + 1;        // 錯誤！z 非 constexpr

// 字面值類型要求
struct Point { int x, y; };
constexpr Point p = {1, 2};     // C++14 支持聚合類型
// constexpr Point q = Point{1,2}; // C++11 需構造函數 constexpr

constexpr 函數：編譯期可執行函數

滿足條件時，調用結果為編譯期常量：

• 函數體內只能包含：using、typedef、static_assert、單條返回語句（C++11）或簡單邏輯（C++14：允許局部變量、循環、條件分支）。
• 參數和返回類型必須是字面值類型。
• 遞歸深度受編譯器限制（通常 512+）。

// C++11 風格：遞歸實現
constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n-1);
}

// C++14 風格：迭代更直觀
constexpr int factorial(int n) {
    int res = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) res *= i;
    return res;
}

// 編譯期調用
constexpr int f5 = factorial(5); // 120
int arr[factorial(4)]; // 數組大小需編譯期常量

constexpr vs const 關鍵區別

指針陷阱

const int* p1 = nullptr;     // 非常量指針，指向常量 int
constexpr int* p2 = nullptr; // 常量指針，指向非常量 int
constexpr const int* p3 = nullptr; // 常量指針，指向常量 int

constexpr 構造函數與字面值類型

類若滿足：

1. 有 constexpr 構造函數
2. 所有成員為字面值類型
3. 析構函數為 trivial

則該類為字面值類型，可定義 constexpr 對象。

class Complex {
    double re, im;
public:
    constexpr Complex(double r, double i) : re(r), im(i) {}
    constexpr double real() const { return re; }
    constexpr double imag() const { return im; }
};

constexpr Complex c(3.0, 4.0); // 編譯期構造
static_assert(c.real() == 3.0, "compile-time check");

實戰：編譯期數組長度計算

template
constexpr size_t length(const T(&)[N]) { return N; }

constexpr int arr[] = {1,2,3,4};
constexpr int arr2[length(arr)*2] = {1,2,3,4,5,6,7,8}; // 編譯期計算長度

總結

• constexpr 是現代 C++ 編譯期計算的核心工具。
• 變量：強制編譯期初始化，替代宏常量。
• 函數：允許編譯期執行，支援模板元編程、靜態斷言、數組大小等場景。
• C++14 大幅放寬函數體限制，編寫體驗接近普通函數。
• 指針語義異於 const：constexpr 修飾指針本身，而非指向對象。
• 最佳實踐：凡是編譯期可確定的值，優先用 constexpr。