C++常量秘籍:const与constexpr深度指南
引言：常量在C++中的重要性
作为一名资深C++开发者，我深知常量机制是C++语言的核心之一。它不仅能提升代码的安全性和可读性，还能优化性能，让编译器在编译时就进行计算。 const和constexpr是两个关键关键字，前者强调不变性，后者则推动编译时求值。今天，我们将深入探讨这两个“常量兄弟”，从介绍、特点，到详细模块分类、应用场景，并配以丰富代码示例。无论你是C++新手还是老鸟，这篇指南都能让你收获满满！
const关键字早在C++的早期标准中就存在，用于声明不可修改的对象、指针或成员函数。它确保数据在初始化后保持不变，防止意外修改，从而提升代码的鲁棒性。constexpr则是C++11引入的“升级版”，它不仅仅是const的补充，还要求表达式能在编译时求值，这在模板元编程和性能优化中大放异彩。
根据C++标准（ISO/IEC 14882），const属于cv限定符（const-volatile qualifiers），而constexpr则与常量表达式（constant expressions）紧密相关。接下来，我们按模块分类详解。
const与constexpr的特点对比
const的特点
- 不变性保障：const对象初始化后不可修改，直接修改会导致编译错误，间接修改（如通过指针）则引发未定义行为。
- 链接性影响：非局部、非volatile的const变量默认具有内部链接（internal linkage），这在多文件项目中避免符号冲突。
- 类型转换：const支持从非const到const的隐式转换，但反之需使用const_cast。
- 优化潜力：编译器可对const对象进行优化，如在表达式中忽略无副作用的部分。
- 兼容性：const可用于变量、指针、引用、成员函数等，几乎无处不在。
constexpr的特点
- 编译时求值：constexpr要求初始化或函数调用能在编译期完成，提升运行时性能。
- 隐含const：constexpr变量自动带有const属性（直到C++14）。
- 字面类型要求：参数和返回值必须是字面类型（literal types），如标量、引用或特定类。
- 函数限制：函数体不能包含goto（直到C++20部分放宽）、非字面变量定义等。
- 演进性：从C++11的严格限制，到C++14允许循环和局部变量，C++17支持lambda，C++20允许动态分配，C++23进一步放宽（如允许goto）。
const vs constexpr的区别
- const关注运行时不变性，初始化可延迟到运行时；constexpr强制编译时初始化。
- const变量不一定是常量表达式（如const int sz = runtime_var;），而constexpr变量总是常量表达式。
- constexpr函数可作为普通函数使用，但const无此概念。
- 示例：const int max = 100; // 可能运行时初始化 constexpr int limit = 100; // 必须编译时求值
这些特点让const更适合运行时保护，constexpr则针对性能和元编程。接下来，按模块分类详解。
详细模块分类
我们将const和constexpr的使用按模块分为：变量模块、指针与引用模块、函数模块、类与成员模块、模板与高级模块。每模块包括子特点、应用场景及代码示例。
1. 变量模块
介绍与特点
变量是const和constexpr最基本的应用。const变量确保不变，constexpr变量进一步要求编译时初始化，且必须是字面类型。const变量可有运行时初始化，constexpr则不行。
应用场景
- const：用于配置常量、只读数据，如PI值或数组大小（如果初始化为常量表达式）。
- constexpr：用于模板参数、枚举值、数组尺寸，确保零开销计算，如计算阶乘。
代码示例
#include <iostream>
int main() {
const int const_var = 42; // const变量，初始化后不可改
// const_var = 100; // 错误：不能修改const对象
constexpr int constexpr_var = 42; // constexpr变量，编译时求值
std::cout << const_var << " " << constexpr_var << std::endl; // 输出：42 42
// 运行时初始化const
int runtime = 10;
const int runtime_const = runtime; // OK，但不是常量表达式
// std::array<int, runtime_const> arr; // 错误：非常量表达式
// constexpr必须编译时
constexpr int factorial(int n) { return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n-1); }
constexpr int fact5 = factorial(5); // 编译时计算120
std::cout << fact5 << std::endl; // 输出：120
}在这个示例中，const_var适合简单不变性，constexpr_var和fact5则利用编译时优化，减少运行时计算。
2. 指针与引用模块
介绍与特点
const可限定指针本身或指向的对象，constexpr指针则要求指向静态存储或nullptr。引用类似，const引用防止修改被引对象，constexpr引用需绑定常量表达式。
应用场景
- const：函数参数传递大对象时用const引用，避免拷贝且防止修改。
- constexpr：静态数据指针，如字符串字面量指针，用于模板或常量表。
代码示例
#include <iostream>
int main() {
int val = 10;
const int* ptr_to_const = &val; // 指向const的指针，不能通过指针修改
// *ptr_to_const = 20; // 错误
ptr_to_const = nullptr; // OK，指针可变
int* const const_ptr = &val; // const指针，指针不可变
*const_ptr = 20; // OK，指向对象可改
// const_ptr = nullptr; // 错误
constexpr const char* str = "Hello, constexpr!"; // 指向字符串字面，编译时
std::cout << str << std::endl; // 输出：Hello, constexpr!
// const引用
const int& const_ref = val;
// const_ref = 30; // 错误
}指针模块中，const提供灵活保护，constexpr确保指针值在编译时确定，适合嵌入式或性能敏感场景。
3. 函数模块
介绍与特点
const用于成员函数，表示不修改对象（this为const）。constexpr函数要求函数体可编译时求值，返回字面类型。C++14后放宽，允许循环等。
应用场景
- const：getter函数，确保不改状态。
- constexpr：数学函数、哈希计算，编译时执行，提升启动速度。
代码示例
#include <iostream>
class Demo {
public:
int data = 0;
int getData() const { // const成员函数
// data = 10; // 错误，不能修改non-mutable成员
return data;
}
};
constexpr int square(int x) { // constexpr函数
return x * x;
}
int main() {
Demo obj;
std::cout << obj.getData() << std::endl; // 输出：0
constexpr int sq = square(5); // 编译时25
std::cout << sq << std::endl; // 输出：25
// C++14+允许循环
constexpr int sum(int n) {
int total = 0;
for(int i = 1; i <= n; ++i) total += i;
return total;
}
constexpr int s = sum(10); // 编译时55
std::cout << s << std::endl;
}函数模块突出const的接口安全和constexpr的性能魔力，尤其在C++17支持lambda后，更强大。
4. 类与成员模块
介绍与特点
const可用于类成员（mutable除外），constexpr用于构造函数/析构函数，要求所有成员初始化为常量表达式。C++20后析构可constexpr。
应用场景
- const：const对象调用const成员函数。
- constexpr：字面类，如自定义字符串，用于常量表达式中。
代码示例
#include <iostream>
class ConstClass {
int value;
mutable int count; // mutable允许在const中修改
public:
ConstClass(int v) : value(v), count(0) {}
void increment() const { count++; } // OK
int getValue() const { return value; }
};
struct ConstexprStruct { // 字面类型类
int x;
constexpr ConstexprStruct(int val) : x(val) {}
constexpr int getSquare() const { return x * x; }
};
int main() {
const ConstClass cc(42);
cc.increment(); // mutable OK
std::cout << cc.getValue() << std::endl; // 42
constexpr ConstexprStruct cs(5);
constexpr int sq = cs.getSquare(); // 编译时25
std::cout << sq << std::endl;
}类模块中，mutable是const的“例外门”，constexpr让类参与常量计算，C++20的constexpr析构扩展了寿命管理。
5. 模板与高级模块
介绍与特点
const在模板中用于参数限定，constexpr在模板元编程中大显身手，如计算模板参数。C++20引入consteval（强制编译时）和constinit（静态初始化）。
应用场景
- const：模板函数参数保护。
- constexpr：SFINAE、traits计算，编译时决策。
代码示例
#include <iostream>
#include <type_traits>
template <int N>
struct Factorial {
static constexpr int value = N * Factorial<N-1>::value;
};
template <>
struct Factorial<0> { static constexpr int value = 1; };
template <typename T>
constexpr bool is_even(T x) { return x % 2 == 0; }
int main() {
constexpr int fact = Factorial<5>::value; // 120，模板元编程
std::cout << fact << std::endl;
static_assert(is_even(4), "Not even!"); // 编译时检查 OK
// C++20 consteval
consteval int add(int a, int b) { return a + b; }
constexpr int res = add(1, 2); // 必须编译时
std::cout << res << std::endl;
// constinit
constinit const int global = 100; // 静态初始化，确保无动态
}模板模块是constexpr的“战场”，结合static_assert，实现编译时验证。
应用场景扩展
在实际开发中，const常用于API设计（如STL容器const_iterator），防止误改。constexpr在嵌入式系统、游戏引擎中优化启动，如预计算表。 在多线程中，const提升安全性；constexpr减少运行时开销。在C++23，constexpr支持更多动态特性，如goto，适用于复杂算法。
结合使用：constexpr int const_var = 10; // 既不变又编译时。
结语：成为常量大师
通过本指南，你已掌握const与constexpr的精髓。实践是关键，多写代码实验！ 如果你是C++爱好者，记得在项目中应用这些技巧，提升代码质量。
参考：C++标准文档、cppreference.com。
