C++中的const和constexpr关键字详解：顶层与底层const以及常量表达式

在C++11中，const关键字用于定义常量类型。const可以应用于变量、指针和函数参数，形成不同的含义。根据其应用位置的不同，const可以分为顶层const（top-level const）和底层const（low-level const）。

顶层const（Top-level const）

顶层const表示对象本身是不可变的（即对象是常量）。对于非指针或非引用类型，这意味着该对象的值不能被改变。对于指针或引用类型，这意味着指针本身（或引用）是常量，不能指向其他对象。

例子：

int x = 10;
const int y = 20; // 顶层const，y是常量，不能修改

int* p1 = &x;
const int* p2 = &y; // 底层const，p2是一个指向const int的指针，不能通过p2修改*y
int* const p3 = &x; // 顶层const，p3是常量指针，不能指向其他地址
const int* const p4 = &y; // 顶层和底层const，p4是常量指针，指向常量对象，既不能修改指针本身，也不能通过它修改对象

底层const（Low-level const）

底层const表示对象所指向的值是不可变的。对于指针或引用类型，这意味着指针或引用所指向的对象是常量，不能通过该指针或引用修改对象的值。

例子：

int x = 10;
const int* p = &x; // 底层const，p是一个指向const int的指针，不能通过p修改*x

void func(const int* ptr) {
    // ptr是一个指向const int的指针，不能通过ptr修改*ptr
}

综合应用

为了更好地理解顶层const和底层const，我们可以看一个包含各种const修饰的例子：

int a = 10;
const int b = 20; // 顶层const

int* p1 = &a; // 普通指针
const int* p2 = &a; // 底层const，指向const int的指针
int* const p3 = &a; // 顶层const，常量指针，指向int
const int* const p4 = &a; // 顶层和底层const，常量指针，指向const int

void func(const int* ptr) {
    // 底层const，ptr指向const int，不能通过ptr修改*ptr
}

func(p1); // 错误，p1不能传递给接受底层const的函数
func(p2); // 正确，p2符合函数参数类型

结论

顶层const和底层const的主要区别在于它们作用的对象范围：

• 顶层const：使变量本身为常量，不能修改该变量的值或指针的地址。
• 底层const：使指针或引用所指向的对象为常量，不能通过该指针或引用修改对象的值。

理解这两者的区别对于正确使用const关键字和避免编译错误非常重要。

在C++11中，引入了constexpr关键字，它用于定义常量表达式。常量表达式在编译时求值，可以用于数组大小、枚举值、模板参数等需要常量表达式的地方。constexpr不仅可以应用于变量，还可以应用于函数。

constexpr变量

constexpr变量必须在编译时能求值为常量。这意味着所有用于初始化constexpr变量的表达式都必须是常量表达式。

例子：

constexpr int size = 10; // 编译时常量
constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}
constexpr int result = square(size); // 编译时计算result的值

constexpr函数

constexpr函数用于在编译时求值，它们的返回值也必须是常量表达式。constexpr函数有以下特点：

• 函数体中只能包含能在编译时求值的语句。
• constexpr函数可以在编译时或运行时调用。如果所有的参数都是常量表达式，函数将在编译时求值；否则将在运行时求值。

例子：

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

constexpr int val = factorial(5); // 编译时计算val的值

int main() {
    int runtime_val = factorial(5); // 运行时计算
    return 0;
}

使用constexpr的注意事项

• constexpr变量和函数的初始值或参数必须是常量表达式。
• constexpr函数必须在定义时立即标记为constexpr，不能在声明时标记而在定义时省略。
• constexpr函数的返回类型和所有参数类型也必须是字面值类型（Literal Type），即可以在编译时确定的类型。

constexpr和const的区别

• const关键字只保证对象的值不可变，但不要求在编译时确定。const对象可以在运行时初始化。
• constexpr关键字不仅要求对象的值不可变，而且要求在编译时确定。constexpr对象必须在编译时初始化。

例子：

const int runtime_value = 42; // 在运行时初始化
constexpr int compile_time_value = 42; // 在编译时初始化

const int array_size = 10; // 在运行时确定大小
int arr1[array_size]; // 允许

constexpr int compile_time_size = 10; // 在编译时确定大小
int arr2[compile_time_size]; // 允许

总结

constexpr是C++11中引入的一个强大的关键字，用于定义在编译时求值的常量表达式。它可以用于变量和函数，并提供了比const更严格的常量保证和编译时优化。理解并正确使用constexpr有助于编写更高效和可靠的代码。