C++ 中 const 和 constexpr 关键字解析：常量、函数和指针

2024-01-21

很多 C++ 的初学者看到 const 这个关键字的第一反应都是一头雾水，主要是因为 const 可以出现在很多的位置，以及后面加入的 constexpr 更是常常感到困惑，今天就为大家一一解释出现它们的含义和以及作用

`const` 关键字

`const` 修饰变量

这是最基本的一种用法，顾名思义，就是将该变量修饰为常量，从而不可以修改。很多的全局变量都是通过常量来进行修饰，需要注意的是，使用 const 关键字修饰的变量需要立刻初始化

// 修饰局部变量，全局变量，成员变量
const int a = 2;
// 错误，表达式必须是可修改的左值，意思就是a是个常量，无法修改
a = 3;  

// 还有人习惯这种写法，作用是一样的，看个人喜好即可
int const b = 22;

// 修饰函数参数
void test(const int num) {
    // 错误，表达式必须是可修改的左值，意思就是参数num是个常量，无法修改
    num = 3;  
}

修饰指针

虽然指针也是一种变量，不过当 const 与指针出现在一起的时候，位置的不同会发生不同的作用，所以单独拎出来讲

// 第一种情况：指针常量
int a = 2;
// const作用：使其无法通过指针来修改变量
const int *p = &a;  
// 错误，表达式必须是可修改的左值
*p = 3;  
// 正确
a = 4; 
// 4
cout << *p << endl;  
// 同样地，有人习惯这种写法，作用是一样的，看个人喜好即可
int const *p2 = &a;

// 第二种情况：常量指针
int a = 2;
// const作用：使指针p无法指向其他变量
int* const p = &a;  
int b = 3;
// 错误，表达式必须是可修改的左值
p = &b;

修饰函数

const 用于修饰函数也是最困惑的地方，主要原因在于它可以出现在不同的地方，并且每一个都有不同的含义。接下来为一一为大家解释

// 修饰函数返回值，这种用法毫无意义，它的作用相当于将返回值修饰为了常量，但是返回值是一个将亡值，在返回之后要么赋值给了其他的变量，然后其他变量可以继续修改，要么就随着离开作用域而被释放内存。所以通常不会这么使用。
const int getNum() {
    return 3;
}

// 修饰成员函数，通常加在成员函数的末尾，作用声明该成员函数为只读函数，即无法修改任何成员变量的值
class Student {
   public:
    void test() const {
        // 错误，表达式必须是可修改的左值，因为member是成员变量，而test函数被const修饰过后无法修改成员变量
        member = 3;  
        int b = 3;
        // 正确
        b = 4;  
    }

   private:
    int member = 2;
};

`const` 引用

这是 const 最常用的一种方式，通常用于函数的参数列表中，因为我们知道在 C++ 中函数参数有3中传递方式，分别是 值传递 ， 指针传递 （或者叫地址传递）， 引用传递 ，前两种在传递时都会发成拷贝行为

指针本身也是一个变量，在32位操作系统下占用4个字节，64位系统占用8个字节，虽然的拷贝成本会低一点，但是在大量的调用过程中也比较可观

所以通常我们采用传递引用的方式，因为引用只是变量的一个别名，不占用内存，所以不会发生拷贝行为。但是引用传递有一个问题，那就是形参可以改变实参的值。所以为了避免意外修改导致实参的值发生改，通常会采用 const 加上引用的方式传递参数

void test(const Student &s) {
    ...
}

`constexpr` 关键字

constexpr 是 C++11 中引入的一个关键字，它的作用主要是用来修饰一些函数和变量，使其成为常量表达式，从而在编译器就可以进行计算，进一步提高程序运行期的效率

常量表达式：指的是有一个或多个常量组成的表达式，在实际开发中经常会接触到常量表达式，比如数组长度就必须是一个常量表达式

//  正确，长度5是由1个常量组成的常量表达式
int arr[5];  
// 正确，长度3+4是由2个常量组成的常量表达式
int arr2[3 + 4];  
int n = 10;
// 错误，长度n是由变量构成，不

是常量表达式
int arr3[n];

修饰变量

由此可以看出，只要是常量表达式，我们就可以通过 constexpr 来进行修饰，从而提高程序的效率，比如下面这样

// 正确，2+2是常量表达式，n将会在编译器进行计算
contexpr int n = 2 + 2;  
// 正确，n是一个常量表达式
int arr[n] = {11, 22, 33, 44};  
// 33
cout << arr[2] << endl;

修饰普通函数

constexpr 还可以用于修饰函数的返回值，在 C++11 中被 constexpr 修饰的函数只能是非void类型的函数，而且必须非常简短，通常只有一句return表达式。不过在后续的 C++14/17/20 标准中进一步的放宽了这了限制，都可以通过编译了

constexpr int test() {
    return 1 + 1;
}

修饰构造函数

constexpr 还可以用于修饰自定义类型，不过有一个前提条件，就是该自定义类型具有 constexpr 修饰的构造函数，并且该构造函数不能有具体实现，否则会编译报错

class Student {
   public:
    constexpr Student(const char* name, int age) : name_(name), age_(age) {}

    void print() const { cout << name_ << ' ' << age_ << '\n'; }

   private:
    const char* name_;
    int age_;
};

void test() {
    constexpr Student s{"zhangsan", 18};
    s.print();
}

总结

const 可以修饰编译期和运行期的常量，而 constexpr 只能修饰编译期的常量
const 在仍然可以通过 const_cast 类型转换来修改值，而 constexpr 是不可以修改的，其实可以将 const 理解为只读变量更符合其含义
const 只能用于非静态成员函数，而 constexpr 可以和成员，非成员，构造函数一起使用
再有常量表示的场景，尽可能的加上 constexpr 来让编译期进行计算
但是大面积的 constexpr 也会面临相应的增加编译时间的风险

最后

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