const 与 constexpr

在 C++ 中，我们经常会遇到“常量”的概念。但随着标准的发展，const 和 C++11 引入的 constexpr 之间有了非常微妙且重要的区别。

const

const 的含义是“只读”。它告诉编译器：这个变量一旦初始化，就不能再被修改。但是，const 并不一定代表它是“编译期已知”的。

const int a = 5; // ✅ 只读，而且可作为常量表达式使用

int x;
std::cin >> x;
const int y = x; // ✅ 正确：y 是只读的，但它的值直到运行时才知道

因此，实际上 const 并不完全是我们之前所认为的常量。他的用法实际上和 Rust、Kotlin 等其他语言中的不可变变量类似，可以用于确保定义的变量在后续中不被改变。实际上在日常的业务开发中，我们使用 const 的核心目的就是为了防御性编程：防止自己或同事在后续的代码中手滑，将本不应该变动的值改变。

constexpr

constexpr (Constant Expression) 是 C++11 引入的，它的含义是“常量表达式”。它告诉编译器：这个值在编译期间就必须计算出来。

constexpr int x = 10; // ✅ 正确：10 是编译期已知的
// constexpr int y = get_input(); // ❌ 错误：输入值直到运行时才知道

为什么要用 constexpr？

性能极佳：计算在编译程序时就完成了，程序运行时直接取结果，零开销。
安全性：某些地方（如数组长度、模板参数）强制要求必须是编译期常量。
代码优化：编译器看到 constexpr 结果，可以进行更大胆的优化。

constexpr 函数

constexpr 不仅可以修饰变量，还可以修饰函数。这意味着如果传入的参数是编译期常量，那么整个函数的调用都会在编译阶段被替换为结果。

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
} // C++ 11 和 C++ 14 之后的 constexpr 函数有些许差异，可以自行查阅文档。

int main() {
    constexpr int res = square(5); // 编译后直接变成 int res = 25;
}

Tips

constexpr 函数也可以在运行时当作普通函数使用。如果传入的是运行时的变量，它就会像普通函数一样工作。

const 与 constexpr 的选择建议

如果你想定义一个编译期就能确定的常量（如 π 的值、固定的配置），优先使用 constexpr。

Tips

如果你接触过 C 或者老的 C++ 教程，可能你会知道使用宏来定义常量，比如 #define PI 3.14。在现代 C++ 中，我们不推荐使用该方法。宏没有办法使用 C++ 的命名空间，是全局污染的。如果你引入了一个第三方物理库，里面也定义了 #define PI，你的代码可能会出现莫名其妙的问题。

（宏本身的全局污染性会导致很多问题，比如臭名昭著的 windows.h 中的 min 和 max 宏。他会直接导致你在使用 C++ std 命名空间的 std::min std::max 函数出现问题。因为他会把 std::max(a,b) 给替换为 std::(((a) > (b)) ? (a) : (b))(a, b)）

因此，在现代 C++ 中，在可以的情况下，尽量使用 constexpr 来代替。

而如果你只是想保护一个变量不被修改，但它的值可能需要通过计算或输入获得，使用 const。一个常见实践是，如果变量在初始化之后不需要再改变，就优先把它声明为 const。只有在确实需要修改时，再去掉 const。这样可以减少意外赋值、状态漂移等问题。例如：

int a_number = 1;

if (a_number = 10) { // ❌ 这里的 = 是赋值，不是 ==。虽然部分编译器可能会有警告，但是基本不会报错。同时，这个 if 将永远成立。
    // ...
}

而如果你使用 const int a_number = 1，由于 a_number 不可变，所以编译器会直接报错，更容易尽早暴露问题。实际上，程序中很大部分的变量在初始化之后不会被重新赋值。不可变性可以减少因为改变这些值而导致的问题。也因此，很多现代语言会把定义变量的默认行为设为不可变变量。