constexpr与static const：哪个更好？

Question

在函数和类作用域下，用于定义像以下这样的整型编译时常量的语法，哪种语法最好？

static const int kMagic = 64; // (1)
constexpr int kMagic = 64;    // (2)

(1)同样适用于C++98/03编译器，而(2)至少需要C ++11。这两者之间是否还有其他差异？在现代C ++代码中应该偏好哪个，为什么？

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编辑

我用Godbolt's CE尝试了这个示例代码：

int main()
{
#define USE_STATIC_CONST
#ifdef USE_STATIC_CONST
  static const int kOk = 0;
  static const int kError = 1;
#else
  constexpr int kOk = 0;
  constexpr int kError = 1;
#endif
  return kOk;
}

对于static const的情况，这是GCC 6.2生成的汇编代码：

main::kOk:
        .zero   4
main::kError:
        .long   1
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     eax, 0
        pop     rbp
        ret

另一方面，对于constexpr，它是：

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 0
        mov     DWORD PTR [rbp-8], 1
        mov     eax, 0
        pop     rbp
        ret

虽然在两种情况下都使用了 -O3，但我得到了相同的（优化后的）汇编代码：

main:
        xor     eax, eax
        ret

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编辑 #2

我尝试了这段简单的代码（在Ideone上实时运行）：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int k1 = 10;
    constexpr int k2 = 2*k1;
    cout << k2 << '\n';
    return 0;
}

这表明const int k1在编译时计算，因为它用于计算constexpr int k2。

然而，对于double似乎有不同的行为。我已经为此创建了一个单独的问题，链接在此。

- Mr.C64

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我更喜欢使用 constexpr 方法。它是明确和强制的。无论如何，另一种选择在链接方面并不相同：如果您使用const（或static，或两者），它会使变量具有 内部 链接。因此，它们在语义上是不同的。 - Nawaz

优先选择哪一个取决于你将用它们做什么。正如@Nawaz所说，这两个例子有不同的功能，如果没有提及它们的预期用途，就无法决定哪一个更好。 - Pete Becker

你在哪个范围内定义它们？ - HolyBlackCat

@Mr.C64 当你正在创建一些类，这些类将被用作模板的参数时，这是使用constexpr的好时机：所有成员都是constexpr，而static const无法做到这一点。----这就是我想说的。 - Yves

你编辑的GCC汇编代码并不能证明什么。 - Nawaz

Answer 1

constexpr 的变量在编译时保证有一个可用值。而 static const 成员或 const 变量可以表示编译时值或运行时值。使用 constexpr 可以更明确地表达你的意图。

另外，在 C++17 中，constexpr 静态数据成员变量也会被内联。这意味着你可以省略 static constexpr 变量的 out of line 定义，但不能省略 static const。

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如评论区中的要求，这里有一个更详细说明关于函数作用域下的 static const。

在函数作用域下的 static const 变量基本相同，但是它具有静态存储期而不是自动存储期。这意味着它在某种程度上等价于将变量声明为全局变量，但只能在函数内部访问。

虽然 static 变量是在第一次调用函数时初始化的，但由于也是 const，编译器会尝试将其值内联并完全优化掉该变量。因此，在函数中，如果对于特定变量的值在编译时已知，则编译器很可能会优化它。

但是，如果在函数作用域下的 static const 的值在编译时未知，则它可能会使你的函数（微小地）变慢，因为它必须在第一次调用函数时在运行时初始化该值，并且每次调用该函数时都必须检查是否已初始化该值。

这就是使用 constexpr 变量的优势所在。如果在编译时未知该变量的值，那么它将导致编译错误，而不是使函数变得更慢。然后，如果你无法确定变量的值，编译器会提示你并让你采取措施。

- Guillaume Racicot

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@Mr.C64：关键词 static 与编译时的常数性或可计算性没有任何关系。在命名空间级别，它影响连接；在类作用域中，它使成员对所有实例共享；在函数作用域中，它使变量在调用之间持续存在。 - Nawaz

@Nawaz：我知道static的作用，但我认为static可以被用作C++编译器优化的提示，将static const变量视为编译时常量。至少在C++11的constexpr出现之前，static const被用作（近似的）编译时常量。 - Mr.C64

@Mr.C64：关键是，static const可以是编译时常量，但并不意味着它必须是。 - Nawaz

“稍微慢一点”的部分指的不仅是因为函数第一次被调用时需要初始化值，而且还需要在每次调用时运行时确定是否是第一次被调用。这并不是一件简单的事情，请参见https://godbolt.org/g/wBejUj。 - The Vee

@Guillaume Racicot：类的static const int成员初始化为常量表达式，保证作为整数常量表达式，即编译时常量。只要在代码中没有任何地方使用odr，它就不需要单独定义。只要我们谈论的是rvalue上下文，constexpr int常量和static const int常量之间没有区别。（局部范围内的const int对象也适用。）区别纯粹是风格上的。 - AnT stands with Russia

Answer 2

只要我们谈论的是声明标量整数或枚举类型的编译时常量，使用const（类作用域中的static const）或constexpr没有任何区别。

请注意，编译器必须支持使用常量初始化程序声明的static const int对象在常量表达式中，这意味着它们别无选择，只能将这些对象视为编译时常量。此外，只要这些对象保持未使用，它们就不需要定义，这进一步证明了它们不会被用作运行时值。

另外，常量初始化规则防止本地static const int对象被动态初始化，这意味着对于局部声明这样的对象不会有性能损失。此外，整数类型的static对象免受静态初始化排序问题的影响是语言中非常重要的功能。 constexpr是一个概念的扩展和概括，它最初是通过具有常量初始化程序的const在C++中实现的。对于整数类型，constexpr并没有提供任何额外的功能，超过了const已经提供的内容。constexpr只是对初始化程序的"constness"提供了一个提前检查。但是，可以说constexpr是专门为此目的设计的功能，因此在风格上更加合适。

- AnT stands with Russia

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感谢您的回答。顺便说一下，关于使用const初始化constexpr时，似乎double和int有不同的处理方式（但在MSVC中不是这样）。 - Mr.C64

@Mr.C64：是的，没错。我在回答中错误地使用了“标量”类型这个术语。完整的“编译时常量”处理仅适用于整数或枚举类型的const对象。 - AnT stands with Russia

谢谢。更喜欢constexpr的另一个原因。 - Mr.C64

常量初始化规则防止局部的“static const int”对象在动态初始化时被初始化。你的意思是如果初始化器是常量表达式，对吗？ - aschepler

这并不完全相同，如果您将一个变量声明为constexpr，则它将在编译时初始化，这将增加编译时间，但会使运行时更快吗？ - Vegeta