C++ const 大亂鬥：const、constexpr、consteval、constinit

最基本的 const，代表的是「常數」（constant），代表是不可修改的；下面就是一個簡單的例子：

const int a = 1;
a = 2; // error

因為變數 a 在宣告時有加上 const，所以之後都不能去修改他的值。

而另一種用法，則是用在成員函式上，禁止修改成員資料；不過這邊就先跳過了。

雖然 const 代表這個值不會有變化，但是它不代表變數會是在編譯階段（compile-time）就完成處理，所以雖然在整數的時候可以當作編譯階段的變數、但是其他型別的變數的時候就不行了。

下面就是一個例子：

const int count = 3;
std::array<double, count> doubles{ 1.1, 2.2, 3.3 };

// but not double:
const double dCount = 3.3;
std::array<double, static_cast<int>(dCount)> moreDoubles{ 1.1, 2.2, 3.3 };
// error: the value of 'dCount' is not usable in a constant expression

前面的 count 雖然可以拿來作為 array 的 template 引數，但是後面的 static_cast<int>(dCount) 卻會出現編譯錯誤。

像是這種要求在編譯階段就有明確的值、或是結果的式子，在 C++ 裡面是被稱為「constant expressions」（參考），最常見的就是這種 non-type template arguments、或是陣列的大小。

constexpr 是在 C++11 時加入的（CppReference），它代表的是宣告的變數或函式是可以在編譯階段完成計算的。

像上面的例子就可以修改成：

constexpr double dCount = 3.3;
std::array<double, static_cast<int>(dCount)> doubles2{ 1.1, 2.2, 3.3 };

這樣就可以正確編譯了。

而如果把它用在函式上的話，則會變成一個可以在編譯階段（compile-time）執行、也可以在執行階段（runtime）執行的函式。

像在下面的例子裡面，square() 這個函式就可以同時在 compile-time 和 runtime 的狀況下執行：

#include <iostream>
#include <array>
 
constexpr int square(const int val)
{
  return val * val;
}
 
int main(int argc, char** argv)
{
  // compile time
  const int count = 3;
  std::array<double, square(2)> doubles;
 
  // runtime
  int v = 3;
  int r = square(v);
}

但是這邊也要注意，如果一個函式被標記是 constexpr 的話，那也需要確定它的內容都能在編譯階段就被計算完；如果裡面有用到不是在編譯階段就決定的內容的話，那在惠沒辦法在編譯階段執行的。

下面就是一個例子：

#include <iostream>
#include <array>
 
int i = 10;
 
constexpr int get_val(const int val)
{
  return val * i;
}
 
int main(int argc, char** argv)
{
  std::array<int, get_val(2)> a; //error
}

上面的例子裡面，由於 get_val() 有用到 i 這個一般的全域變數，所以無法在編譯階段完成，這也導致在宣告 std::array<> 的時候會出現編譯錯誤。

但是由於 constexpr 也允許有 runtime 的版本，所以如果是去呼叫他的 runtime 版本、像是 int v = get_val(2) 的話，則是可以正確編譯的。

而實際上，Heresy 之前在《在 header 檔使用 constexpr 定義全域變數》這篇文章也有簡單介紹過，constexpr 也還可以拿來更方便地定義全域變數，有興趣的話也可以看看。

此外，if constexpr() 這種在編譯階段就完成的條件判斷，在很多時候也是很好用的！

所以如果要大量使用 template 這類在編譯階段就決定數值的寫法的話，那 constexpr 會是相當有幫助的！

consteval 是在 C++20 加入的（CppReference），他和 constexpr 的不同在於他只能用來宣告函式、不能用在變數上；同時，他會明確地限制函式僅能在編譯階段執行。

像上面的例子，如果把 square() 前面的 constexpr 改成 consteval 的話，就是下面的樣子：

#include <iostream>
#include <array>
 
consteval int square(const int val)
{
  return val * val;
}
 
int main(int argc, char** argv)
{
  // compile time
  const int count = 3;
  std::array<double, square(2)> doubles;
 
  // runtime
  int v = 3;
  int r = square(v);  // error
}

這樣的話，「int r = square(v);」就因為 v 不是 compile-time 就決定的變數、而會出現編譯錯誤了。

constinit 也是在C++20 加入的（CppReference）；相較於 consteval 只能用在函式上，constinit 則是只能用在靜態（static）和 thread-local 變數上，它的意義是強制變數要在編譯階段完成初始化（constant initialization、參考）。

而比較有趣的是，他雖然是以「const」開頭，但在使用他宣告變數的時候，實際上並沒有 const 不可修改的特性。

下面就是一個例子：

#include <iostream>
 
constexpr int square(const int val)
{
  return val * val;
}
 
constinit int v = square(2);
 
int main(int argc, char** argv)
{
  v = 3;
}

也因為這邊的 v 不是常數，所以儘管它是在編譯階段就完成初始化的，但是也不能拿來作為 template 引數；像是這邊如果寫 std::array<int, v> 就會出現編譯錯誤。

而如果希望變數有 const 不可修改的特性的話，應該就是直接回去用 constexpr 就可以了。