C++ 中的 constexpr 是一个用于声明 编译时常量表达式 的关键字，其核心目标是让编译器在编译阶段完成计算或初始化，从而提升程序性能和安全性。以下是其核心特性和用法：

1. 基本概念

• 编译时求值：constexpr 定义的变量、函数或对象必须在编译期确定值，而非运行时。这使它们能用于需要编译期常量的场景，如数组大小、模板参数等。
• 类型安全：相比宏和模板元编程，constexpr 提供类型检查，避免宏替换导致的意外错误。

2. 主要用途

(1) 变量声明

• 编译期常量：变量必须在编译时初始化，且初始化表达式必须为常量。

  constexpr int max_size = 1024;  // 合法
  int array[max_size];            // 数组大小需编译期确定
  

(2) 函数声明

• 编译期计算：函数参数和返回值必须为字面类型（如整型、浮点型），且函数体在 C++11 中仅允许单条 return 语句（C++14 放宽，允许循环、局部变量等）。

  constexpr int factorial(int n) {  // 编译期阶乘计算
      return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n-1);
  }
  constexpr int val = factorial(5);  // 编译时计算结果为 120
  

(3) 类与构造函数

• 编译期对象构造：constexpr 构造函数和成员函数允许在编译期初始化对象。

  class Point {
  public:
      constexpr Point(int x, int y) : x_(x), y_(y) {}
      constexpr int x() const { return x_; }
  private:
      int x_, y_;
  };
  constexpr Point origin(0, 0);  // 编译期创建对象
  

3. 与 const 的区别

例如：

const int a = rand();   // 合法，运行时初始化
constexpr int b = 100;  // 合法，编译期初始化
// constexpr int c = rand(); // 错误！必须是编译期常量

4. 应用场景

• 优化性能：将运行时计算转移到编译期，如数学运算（阶乘、斐波那契数列）。
• 类型安全替代宏：例如编译期平方计算，避免宏展开问题。
• 模板元编程：简化传统模板代码，如替代递归模板实现编译期计算。
• 复杂数据结构：C++20 支持 constexpr 容器（如 std::vector），允许编译期动态内存分配。

5. 注意事项

• 版本兼容性：C++11 限制较多（如函数体仅单条 return），C++14/17/20 逐步放宽。
• 调试技巧：使用 static_assert 验证编译期计算结果。
• 避免过度使用：复杂计算可能增加编译时间。

示例代码（综合多个版本）

// C++14 允许循环和局部变量
constexpr int pow(int base, int exp) {
    int res = 1;
    for (int i = 0; i < exp; ++i) res *= base;
    return res;
}
constexpr int value = pow(2, 10);  // 编译期计算 2^10 = 1024

通过合理使用 constexpr，开发者能显著提升代码效率和可维护性，尤其在资源敏感的嵌入式系统或高性能计算中效果显著。