C++ `constexpr` 函数式编程：在编译期执行复杂算法与数据结构操作 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊 C++ 的 constexpr，这玩意儿可不是个花架子，它能让你的代码在编译期就“活”起来，直接在编译时执行复杂的算法和数据结构操作，想想都刺激！

第一章：constexpr 的前世今生：从 Hello World 到编译期计算

首先，constexpr 的出现是为了解决什么问题呢？简单来说，是为了优化！

想象一下，你有一个程序，其中需要用到一些常量，比如圆周率 π，或者一个固定大小的数组。传统的做法是在运行时计算这些值，或者在代码中硬编码这些值。

但是，这些值在编译时就已经确定了，完全可以在编译时就计算出来。这样，运行时就省去了计算的开销，直接使用计算好的值，速度更快，效率更高。

这就是 constexpr 的用武之地。它告诉编译器：“嘿，这个函数或者变量，你可以在编译时就给我算出来！”

最简单的 constexpr 例子：

constexpr int square(int x) {
  return x * x;
}

int main() {
  constexpr int result = square(5); // result 在编译时就被计算为 25
  int arr[result]; // 数组大小在编译时确定
  return 0;
}

这里 square(5) 在编译时就被计算为 25，result 也成为了一个编译期常量。这意味着 arr 的大小也在编译时确定，这在传统的 C++ 中是不允许的（除非用宏或者模版），但在 C++11 之后，constexpr 让这一切成为了可能。

第二章：constexpr 函数：编译期的超级英雄

constexpr 函数有一些限制，但这些限制是为了保证它能在编译时执行。

限制一：简单粗暴，必须返回一个值

constexpr 函数必须返回一个值，不能是 void。这是因为编译期需要一个确定的值来进行计算。
限制二：身体要纯洁，不能有副作用

constexpr 函数不能有副作用，也就是说，不能修改全局变量，不能进行 I/O 操作等等。这是因为编译期执行函数不能改变程序的运行状态。简单来说，它得像个数学函数一样，输入确定，输出也确定。
限制三：单刀直入，C++11 只有一个 return 语句

在 C++11 中，constexpr 函数的函数体只能包含一个 return 语句。不过，从 C++14 开始，这个限制被取消了，constexpr 函数可以包含多条语句，只要这些语句不违反上述的限制。
限制四：参数要给力，得是字面值类型

constexpr 函数的参数必须是字面值类型，也就是在编译时就能确定值的类型，比如 int、float、char、bool 等等。指针和引用也可以是字面值类型，只要它们指向的对象在编译时就能确定。
限制五：递归要小心，别让编译器崩溃

constexpr 函数可以使用递归，但是要小心，递归的深度不能太深，否则编译器可能会崩溃。编译器对 constexpr 函数的递归深度有限制，超过这个限制就会报错。

一个 C++14 的 constexpr 函数的例子：

constexpr int factorial(int n) {
  if (n <= 1) {
    return 1;
  } else {
    return n * factorial(n - 1);
  }
}

int main() {
  constexpr int result = factorial(5); // result 在编译时就被计算为 120
  return 0;
}

第三章：constexpr 变量：编译期的常量卫士

constexpr 变量必须在声明时初始化，并且它的初始值必须是一个常量表达式。这意味着它的值在编译时就必须确定。

constexpr int x = 10; // 正确：10 是一个常量表达式
constexpr int y = x * 2; // 正确：x * 2 也是一个常量表达式

int z = 5;
// constexpr int w = z * 2; // 错误：z 不是一个常量表达式

constexpr 变量可以用来定义数组的大小，或者作为模版参数等等。

constexpr int size = 10;
int arr[size]; // 数组大小在编译时确定

template <int N>
struct MyStruct {
  int data[N];
};

MyStruct<size> myStruct; // 模版参数在编译时确定

第四章：constexpr 与数据结构：编译期的积木游戏

constexpr 不仅仅可以用来计算简单的数值，还可以用来操作复杂的数据结构。只要数据结构中的所有操作都可以在编译时执行，就可以使用 constexpr。

constexpr 数组

可以使用 constexpr 来初始化数组，数组中的元素必须是字面值类型。
```
constexpr int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 正确：数组元素都是字面值类型
```
constexpr 结构体和类

可以使用 constexpr 来定义结构体和类，但是结构体和类的构造函数必须是 constexpr 的，并且所有成员变量都必须是字面值类型。
```
struct Point {
  int x;
  int y;
  constexpr Point(int x, int y) : x(x), y(y) {}
};

constexpr Point p1(1, 2); // 正确：Point 的构造函数是 constexpr 的
```

constexpr 链表

虽然在 C++11 中，要实现一个完全的 constexpr 链表比较困难，但是在 C++14 中，可以使用 constexpr 来实现一个简单的链表。

struct Node {
  int value;
  Node* next;
  constexpr Node(int value, Node* next) : value(value), next(next) {}
};

constexpr Node n1(1, nullptr);
constexpr Node n2(2, &n1);
constexpr Node n3(3, &n2);

// 注意：虽然可以创建 constexpr 链表，但是不能在编译期遍历它，
// 因为这需要用到循环，而 C++14 的 constexpr 函数对循环的支持还不够完善。

constexpr 树

类似于链表，可以使用 constexpr 来创建树，但是不能在编译期遍历它。

第五章：constexpr 的高级应用：编译期元编程

constexpr 是编译期元编程的基础。通过 constexpr 函数和模版，可以在编译时生成代码，进行类型检查，等等。

编译期计算类型大小

template <typename T>
constexpr size_t type_size() {
  return sizeof(T);
}

int main() {
  constexpr size_t int_size = type_size<int>(); // int_size 在编译时就被计算为 4 (或者其他值，取决于平台)
  return 0;
}

编译期生成代码

可以使用 constexpr 函数和模版来生成代码，比如生成一个查找表。

template <int N>
constexpr int fibonacci() {
  if (N <= 1) {
    return N;
  } else {
    return fibonacci<N - 1>() + fibonacci<N - 2>();
  }
}

template <int... Indices>
struct FibonacciTable {
  static constexpr int values[] = {fibonacci<Indices>()...};
};

template <int... Indices>
constexpr int FibonacciTable<Indices...>::values[];

template <int N, int... Indices>
struct MakeIndices {
  using type = typename MakeIndices<N - 1, N - 1, Indices...>::type;
};

template <int... Indices>
struct MakeIndices<0, Indices...> {
  using type = FibonacciTable<Indices...>;
};

int main() {
  using MyTable = typename MakeIndices<10>::type;
  constexpr int value = MyTable::values[5]; // value 在编译时就被计算为 5
  return 0;
}

第六章：constexpr 的优缺点：没有完美的技术

优点：
- 性能提升： 将计算放在编译期执行，可以减少运行时的开销，提高程序的性能。
- 代码优化： 编译器可以对 constexpr 代码进行优化，比如内联函数，常量折叠等等。
- 类型安全： constexpr 可以进行类型检查，避免运行时的类型错误。
- 代码生成： 可以使用 constexpr 来生成代码，提高代码的灵活性和可重用性。
缺点：
- 编译时间增加： 将计算放在编译期执行，可能会增加编译时间。
- 代码复杂性增加： constexpr 代码可能会比较复杂，难以理解和维护。
- 限制较多： constexpr 函数和变量有很多限制，需要小心使用。
- 调试困难： 编译期执行的代码难以调试，需要使用特殊的工具和技巧。

第七章：constexpr 的最佳实践：让代码更上一层楼

尽量使用 constexpr： 如果一个函数或者变量可以在编译时计算出来，就尽量使用 constexpr。
保持 constexpr 函数的简洁： constexpr 函数应该尽量简洁，避免复杂的逻辑。
小心使用 constexpr 递归： constexpr 递归的深度有限制，需要小心使用。
使用 constexpr 进行类型检查： 可以使用 constexpr 来进行类型检查，避免运行时的类型错误。
使用 constexpr 生成代码： 可以使用 constexpr 来生成代码，提高代码的灵活性和可重用性。

总结

constexpr 是 C++ 中一个强大的特性，它可以让你在编译期执行复杂的算法和数据结构操作，从而提高程序的性能和灵活性。当然，constexpr 也有一些限制和缺点，需要小心使用。但是，只要你掌握了 constexpr 的基本原理和使用技巧，就可以让你的代码更上一层楼。

希望这次的讲座能让你对 constexpr 有一个更深入的了解。记住，constexpr 不仅仅是一个关键字，更是一种编程思想，它可以让你写出更高效、更安全、更灵活的代码。

最后，送给大家一句话： “编译期能做的，就不要留给运行时。”

谢谢大家！

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